Ile kosztuje wzniesienie budynku jednorodzinnego w standardzie niskoenergetycznym?

Zgodnie z wymaganiami dyrektywy 2010/31/UE [1] do 31 grudnia 2020 r. wszystkie nowe budynki, a jeszcze wcześniej, bo po 31 grudnia 2018 r. nowe budynki zajmowane przez władze publiczne oraz będące ich własnością powinny być budynkami o niemal zerowym zużyciu energii. Mają to być „obiekty o bardzo wysokiej charakterystyce energetycznej, a niemal zerowa lub bardzo niska ilość energii wymaganej do zapewnienia funkcji użytkowych pochodzić powinna w dużym stopniu ze źródeł odnawialnych, w tym z energii wytwarzanej na miejscu lub w pobliżu”.

I choć w Polsce nie zostały do tej pory określone ani krajowe minimalne wymagania dotyczące charakterystyki energetycznej budynków, ani szczegółowe wytyczne ramowej procedury jej obliczania, wiadomo, że regulacje te powinny uwzględniać warunki lokalne oraz możliwości osiągnięcia równowagi między wymaganymi nakładami a kosztami zaoszczędzonymi podczas cyklu życia budynku.

Wprowadzenie

Zastosowanie zasad budownictwa niskoenergochłonnego już na etapie projektowania (np. właściwe usytuowanie na działce i prawidłowe zaprojektowanie bryły budynku oraz jego wnętrza [2, 3, 4]) nie wymaga żadnego nakładu finansowego, jednak już wykorzystanie odnawialnych źródeł energii (kolektorów słonecznych, paneli fotowoltaicznych, energii biomasy, wiatru oraz skumulowanej w gruncie) niesie za sobą znaczne koszty [5, 6]. Dlatego przy podejmowaniu decyzji co do ich zastosowania warto dokonać analizy opłacalności.

Przy wznoszeniu budynków o niskim lub bardzo niskim zapotrzebowaniu na ogrzewanie należy również pamiętać o specyficznych zjawiskach zachodzących w tego typu budynkach (np. problemie z komfortem cieplnym wnętrz w okresie letnim). Potrzebna jest odpowiednia wiedza projektantów i wykonawców, pozwalająca uniknąć błędów, które nie pozwolą uzyskać zakładanego standardu energetycznego czy użytkowego [5, 6]. Nie bez znaczenia może okazać się także świadomość samych inwestorów, by nie ulegali sugestiom, które mogą skutkować zastosowaniem nieracjonalnych rozwiązań.

Wymagania w różnych standardach energetycznych

Podczas trwających prac nad szczegółowym zdefiniowaniem obiektu o bardzo wysokiej charakterystyce energetycznej pojawiają się propozycje jednolitego wprowadzenia w całej UE krajowych zapisów nowelizacji dyrektywy EPBD [7]. W celu określenia granicy bilansowej systemu oraz sprecyzowania ogólnych ram wskaźników konieczne jest wskazanie, które przepływy energii należy uwzględnić, a które wykluczyć.

Obecnie w Polsce wymagania ochrony cieplnej budynków, zawarte w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [8], mogą być spełnione przez zapewnienie odpowiedniej izolacyjności przegród zewnętrznych budynku (tabela 1) lub nieprzekroczenie maksymalnej wartości wskaźnika EP (rocznego obliczeniowego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną).

Wskaźnik EP uwzględniający wpływ rodzaju paliwa i sposobu wytwarzania energii na potrzeby budynku nadaje się raczej do oceny budynku pod kątem całkowitej konsumpcji energii i związanego z tym jego wpływu na środowisko niż do oceny samego budynku. Z kilkuletniej praktyki wynika również, że zapewnienie warunku dotyczącego izolacyjności przegród nie we wszystkich przypadkach zapewnia spełnienie wymagania wyrażonego przy użyciu EP.

Planowana jest zmiana obecnie obowiązujących przepisów Rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [9], mająca prowadzić do zaostrzenia polityki racjonalizacji zużycia energii w sektorze zasobów budowlanych oraz ustalenia minimalnych wymagań dotyczących ochrony cieplnej i energooszczędności budynków w celu osiągnięcia poziomów optymalnych pod względem kosztów.

Obniżone zostaną wartości graniczne współczynnika przenikania ciepła przegród ( tabela 1 ) oraz zaistnieje obowiązek jednoczesnego nieprzekroczenia granicznych wartości wskaźnika EP.

W ostatnim czasie pojawiły się w Polsce dwa nowe określenia standardu energetycznego budynków: NF40 i NF15 ( tabela 1 ). Dotyczą one energooszczędnych budynków mieszkalnych, w odniesieniu do których Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej uruchamia system dopłat do kredytów na ich budowę lub zakup [11].

Wysokość możliwej do otrzymania dopłaty będzie uzależniona od uzyskanego wskaźnika rocznego jednostkowego zapotrzebowania na energię użytkową do celów ogrzewania i wentylacji (EU_c.o.), obliczonego na podstawie Rozporządzenia w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku, z uwzględnieniem wytycznych dotyczących sprawności instalacji grzewczej i przygotowania wody użytkowej [12].

Wysokość dofinansowania dla domów jednorodzinnych będzie wynosić:

• w standardzie NF40: 30 tys. zł brutto;
• w standardzie NF15: 50 tys. zł brutto.

Wprowadzone wymagania dotyczące budynków, które będą podlegały dofinansowaniu z NFOŚiGW, są bardziej zaostrzone niż wymagania w zmienianym rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych (tabela 1). Wzniesienie takich obiektów będzie więc nieuchronnie droższe.

Nasuwa się więc pytanie, czy dopłaty zrekompensują ich koszt, w którym należałoby też uwzględnić nakłady finansowe związane z weryfikacją wymagań. Nasuwa się również pytanie, czy rozróżnienie wymagań w odniesieniu do stref klimatycznych (na łagodniejsze dla I, II i III i ostrzejsze dla IV i V strefy) nie powinno pociągać za sobą rozróżnienia wysokości dopłat.

Proponowane dopłaty nie zależą też od wielkości budynku, a z pewnością koszt inwestycyjny będzie wyższy dla budynków o większej powierzchni. A w końcu wielką niewiadomą jest sposób sprawdzania np. kwalifikacji kierowników robót, nadzoru i wykonawców, a także zapisy dotyczące np. testów szczelności budynków w obecności weryfikatora.

Koszty wzniesienia budynku energooszczędnego w standardzie NF40

Do analizy wybrano budynek energooszczędny parterowy, z poddaszem użytkowym, położony w północno-wschodniej Polsce, w odniesieniu do którego wieloletni eksploatacyjny wskaźnik rocznego jednostkowego zapotrzebowania na energię końcową do celów ogrzewania i wentylacji EK_c.o. wynosi 52,06 kWh/(m²·rok), co w przeliczeniu na EU_c.o. daje 45,50 kWh/(m²·rok) [4].

Uzyskiwanie wskaźników energetycznych na tym poziomie było możliwe dzięki zastosowaniu w budynku:

• w ścianach trójwarstwowych o powierzchni 160 m² i w dachu o powierzchni 110 m²: wełny mineralnej gr. 18 cm (w dachu dodatkowo 2 cm styropianu),
• w podłodze na gruncie o powierzchni 88 m²: styropianu gr. 10 cm,
• wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła,
• gruntowego wymiennika ciepła do wstępnego podgrzewu powietrza wentylacyjnego.

Ponieważ budynek został wzniesiony w 1999 r., zastosowano w nim stolarkę okienną (35 m²) o wartość współczynnika przenikania ciepła U na poziomie 1,9 W/(m²·K). Wykonano więc również obliczenia zapotrzebowania na energię budynku z zastosowaniem bardziej energooszczędnych okien, o wartości U = 1,5 W/(m²·K). Otrzymano wówczas wskaźnik EUc.o. na poziomie 40 kWh/(m²·rok), czyli o budynku wybranym do analizy można powiedzieć, że spełnia standard budynku energooszczędnego NF40 ( tabela 1 ).

Oszacowano koszt wzniesienia tego budynku w wersji niskoenergochłonnej na poziomie 425,556 tys. zł oraz w wersji standardowej jako 409,109 tys. zł [4, 10]. Grubości izolacji cieplnej budynku standardowego wyznaczono na poziomie zapewniającym spełnienie obecnych wymagań dotyczących wartości współczynnika przenikania ciepła przegród zewnętrznych [8].

Wartość współczynnika U okien przyjęto na poziomie 1,7 W/(m²·K), a drzwi zewnętrznych – 2,6 W/(m²·K). Uwzględniono również zmiany w konstrukcji budynku wynikające z zastosowanych grubości izolacji termicznej oraz wentylacji mechanicznej, zmiany w instalacji c.o. dotyczące wielkości grzejników i kotłów o mniejszej mocy oraz zastosowanie gruntowego wymiennika ciepła.

Dodatkowe koszty inwestycyjne wynikające z osiągnięcia „ponadstandardowych walorów” termicznych spowodowały zwiększenie całkowitego kosztu budowy analizowanego budynku w stosunku do kosztów budowy takiego samego budynku wykonanego w wersji standardowej o 4,51%.

Całkowita użyteczność inwestycji w podwyższaniu standardu energetycznego

Po przeprowadzeniu eksperymentu obliczeniowego mającego na celu rozpoznanie wpływu rozwiązań technicznych na charakterystykę energetyczną budynku energooszczędnego [4] przeanalizowano wpływ dodatkowych nakładów (K_dod.) na wartość energii końcowej do ogrzewania (EK_c.o.).

We wstępnej analizie wytypowano sześć statystycznie istotnych:

• X 1 – współczynnik przenikania ciepła ścian zewnętrznych budynku U_ścian,
• X 2 – współczynnik przenikania ciepła stropodachu/dachu budynku U_dachu,
• X 5 – współczynnik przenikania ciepła okien U_okien,
• X 11 – sprawność wytwarzania źródła ciepła η_H,g,
• X 12 – sprawność instalacji centralnego ogrzewania η_H,sde,
• X 13 – sprawność wymiennika do odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego (rekuperatora) η_H,recup.

Poszukiwano takich wartości wielkości wejściowych (U_ścian, U_dachu, U_okien, η_H,g, η_H,sde i η_H,recup), które zapewnią uzyskanie najbardziej pożądanego przez inwestora poziomu wskaźnika EK_c.o., z uwzględnieniem czynnika ekonomicznego. Do realizacji tego zadania wykorzystano metodę zaproponowaną przez Derringera i Suicha [13] polegającą na przekształceniu aproksymowanych wartości dwóch wielkości wyjściowych (EK_c.o. oraz K_dod.) na pojedynczą wartość całkowitej użyteczności.

Pojęcie użyteczności jako satysfakcji, zadowolenia czy przyjemności wynikającej z konsumowania dóbr wprowadził w XIX w. niemiecki ekonomista H.H. Gossen. Zaznaczył on, że ma ona charakter subiektywny, ponieważ uwarunkowania psychologiczne i socjologiczne konsumentów są przyczyną różnic w satysfakcji związanej z konsumpcją danego dobra. Użyteczność całkowita według Derringera i Suicha powinna być średnią geometryczną użyteczności poszczególnych wielkości wyjściowych. Poszukiwano więc takich wartości wielkości wejściowych, które maksymalizują całkowitą użyteczność odpowiedzi wielkości wyjściowych.

W pierwszym kroku zdefiniowano profil użyteczności odpowiedzi dla każdej wielkości wyjściowej, przypisując określonym, akceptowanym wartościom badanej cechy wartości z przedziału {0,1}, mówiącej o satysfakcji uzyskania wyniku na zadanym poziomie ( tabela 2 ).

Pierwszej analizowanej zmiennej wyjściowej (wielkości wskaźnika zapotrzebowania na energię końcową na cele ogrzewania i wentylacji) przypisano użyteczność 0,0 (niepożądaną) dla wartości aproksymowanych EK_c.o. powyżej 60 kWh/(m²·rok), a 1,0 (pożądaną) dla wartości aproksymowanych EK_c.o. poniżej 30 kWh/(m²·rok).

Satysfakcjonującą wielkość dodatkowych nakładów związanych z osiągnięciem standardu budynku energooszczędnego (K_dod.) ustalono na poziomie 3% (użyteczność 1,0), zaś za poziom niepożądany (użyteczność 0,0) przyjęto 7%. W procedurze definiowania funkcji użyteczności obydwu z analizowanych zmiennych wyjściowych uwzględniono krzywiznę (s = 2 i t = 2) w obszarach pomiędzy punktami załamania funkcji, sugerowaną w tego typu przypadkach.

Przed przystąpieniem do procedury poszukiwania wartości optymalnych wykonano wielokrotny wykres profili odpowiedzi (rys. 1) przy wartościach bieżących dla każdej z wielkości wejściowej przyjętych na poziomie średnim zakresu zmienności, czyli:

• U_ścian = 0,22 W/(m²·K) z zakresu {0,16 W/(m²·K)–0,28 W/(m²·K)},
• U_dachu = 0,165 W/(m²·K) z zakresu {0,12 W/(m²·K)–0,21 W/(m²·K)},
• U_okien = 1,30 W/(m²·K) z zakresu {0,90 W/(m²·K)–1,70 W/(m²·K)},
• η_H,g = 0,875 z zakresu {0,75–1,00},
• η_H,sde = 0,890 z zakresu {0,8294–0,9506},
• η_H,recup = 0,675 z zakresu {0,50–0,85}.

Dla każdej wielkości wyjściowej (EK_c.o. i K_dod.) został sporządzony profil aproksymacji składający się z serii wykresów – po jednym dla każdej wielkości wejściowej, obrazujących wartości przewidywane zmiennej zależnej w każdym punkcie siatki (wyznaczano wartości w pięciu wybranych punktach).

Dla każdego czynnika przygotowano także wykres pokazujący profil całkowitej użyteczności odpowiedzi w każdym punkcie siatki wejściowej, przy ustalonych bieżących wartościach pozostałych czynników. W sytuacji przyjęcia wielkości wszystkich czynników wejściowych (U_ścian, U_dachu, U_okien, η_H,g, η_H,sde i η_H,recup) na poziomie średnim aproksymowana wartość EK_c.o. = 46,97 kWh/(m²·rok), zaś K_dod. = 7,48% (rys. 1).

Wartość całkowitej użyteczności bliska lub równa 0 wskazuje, że zastosowanie w budynku rozwiązań charakteryzujących się wartościami na poziomie średnim wybranych zakresów ich zmienności nie zapewnia wysoce pożądanych cech. Z analizy całkowitej użyteczności odpowiedzi poszczególnych czynników wejściowych wynika, że przyjęcie wyższych wartości U_ścian, U_dachu, U_okien, pomimo iż pociąga za sobą wzrost wskaźnika EK_c.o., może dać lepszy produkt końcowy (w funkcji dwóch wielkości wyjściowych).

W następnym kroku postanowiono więc poszukać wartości składników wejściowych, które zapewnią uzyskanie najbardziej pożądanego produktu.

Na rys. 2 przedstawiono wyniki otrzymane drogą ogólnej metody optymalizacji funkcji (metodą simpleks), przy odpowiednio zagęszczonej siatce.

Jako wartości bieżące dla każdej wielkości wejściowej zostały przyjęte wartości optymalne. Spowodowało to poprawę użyteczności, która osiągnęła wartość 0,42087 (rys. 2) dla następujących wartości wielkości wejściowych:

• U_ścian = 0,28 W/(m²·K),
• U_dachu = 0,21 W/(m²·K),
• U_okien = 0,90 W/(m²·K),
• η_H,g = 1,00,
• η_H,sde = 0,8444,
• η_H,recup = 0,50.

Dokonano również analizy z wykorzystaniem alternatywnej, zaimplementowanej w programie komputerowym, metody poszukiwania wartości wielkości wejściowych, w odniesieniu do których całkowita użyteczność przyjmie wartość największą. Metoda ta polega na przeszukiwaniu wszystkich podanych kombinacji wartości wielkości wejściowych w węzłach siatki, aby znaleźć taką, która daje w efekcie optymalną całkowitą użyteczność odpowiedzi. Wyniki takiej analizy przedstawiono na rys. 3.

Uzyskana w tej analizie wartość użyteczności wyniosła 0,43138 przy wartościach wielkości wejściowych wynoszących:

• U_ścian = 0,28 W/(m²·K),
• U_dachu = 0,21 W/(m²·K),
• U_okien = 0,90 W/(m²·K),
• η_H,g = 1,00,
• η_H,sde = 0,8294,
• η_H,recup = 0,50.

Sporządzono również wykresy przestrzenne i konturowe całkowitej użyteczności odpowiedzi w odniesieniu do różnych kombinacji wartości każdej pary wielkości wejściowych, przy optymalnych wartościach pozostałych wielkości wejściowych.

Na rys. 4–5 przedstawiono wykresy w odniesieniu do czynników X1 (U_ścian) i X2 (U_dachu), zaś na rys. 6–7 – odnośnie czynników X1 (U_ścian) i X11 (η_H,g), wykonane z wykorzystaniem metody optimum użyteczności w węzłach siatki.

Wykresy całkowitej użyteczności odpowiedzi w odniesieniu do różnych kombinacji wartości każdej pary wielkości wejściowych ilustrują więc dynamikę zmian wielkości wejściowych (rys. 4 i 5). Pokazują, że powierzchnia w otoczeniu optimum jest względnie płaska, co oznacza, że małe odchylenia wartości wejściowych od wartości optymalnych nie powinny znacząco zmniejszyć użyteczności tak zaprojektowanego budynku.

Podsumowanie

Na podstawie szacunku wysokości kosztu dodatkowego związanego z podwyższeniem standardu energetycznego budynku jednorodzinnego stwierdzono, że możliwe jest wzniesienie budynku w standardzie NF40 przy koszcie dodatkowym (w stosunku do takiego samego budynku wykonanego w wersji spełniającej obecne wymagania ochrony cieplnej) na poziomie 4,51%.

Przeprowadzone analizy zależności kosztu budowy budynku jednorodzinnego o obniżonych potrzebach cieplnych i wielkości zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania ilustrują dynamikę zmian wartości wskaźnika EK_c.o. w powiązaniu z kosztem dodatkowym K_dod. osiągnięcia takiego standardu energetycznego.

Obecne warunki środowiskowe, energetyczne, ekonomiczne i formalne wymuszają polepszanie efektywności energetycznej również w sektorze zasobów budowlanych, jednak niezbędne wydaje się każdorazowe dokonanie analizy ekonomicznej dotyczącej budynku w celu zapewnienia standardu energetycznego optymalnego pod względem kosztów.

Artykuł został przygotowany w ramach pracy S/WBiIŚ/2/2013 w Zakładzie Podstaw Budownictwa i Fizyki Budowli WBiIŚ PB

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (DzUrz L 153 z 18.6.2010, s. 13–35).
2. K. Kurtz, „Projektowanie budynków niskoenergochłonnych”, „IZOLACJE”, nr 11/12/2012 (171), s. 16–21.
3. M. Musielak, A. Podhorecki, „Praktyczne zasady realizacji energooszczędnego budownictwa jednorodzinnego”, „IZOLACJE”, nr 5/2011 (156), s. 82–85.
4. B. Sadowska, „Model operacyjny projektowania energooszczędnych budynków mieszkalnych w zabudowie jednorodzinnej”, Rozprawa doktorska przygotowana pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Jerzego A. Pogorzelskiego, Politechnika Białostocka, Białystok 2010.
5. A. Węglarz, „Budownictwo energooszczędne w Polsce”, „Rynek Instalacyjny”, nr 11/2009, s. 24–27.
6. J. Żurawski, „Budownictwo zero- lub prawie zeroenergetyczne w warunkach polskich”, „IZOLACJE”, nr 9/2012 (169), s. 14–19.
7. A.D. Panek, J. Rucińska, „Jak zdefiniować budynek o niemal zerowym zużyciu energii?”, „Energia i Budynek”, nr 6/2011, s. 4–10.
8. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 grudnia 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2008 r. nr 228, poz. 1514).
9. Projekt Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 01.10.2012 r. zmieniającego rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
10. W. Sarosiek, B. Sadowska, „Opłacalność wznoszenia budynków niskoenergetycznych w warunkach klimatu północno­‑wschodniej Polski”, „Materiały Budowlane”, nr 1/2012 (473), s. 54–56.
11. Strona internetowa Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej
12. Wytyczne określające podstawowe wymogi niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkalnych oraz sposób weryfikacji projektów i sprawdzenia wykonanych domów energooszczędnych, strona internetowa
13. G. Harańczyk, „Planowanie doświadczeń jako droga do innowacyjności – przykłady optymalizacji procesu produkcyjnego”, StatSoft Polska, Kraków 2009.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!