Wpływ termomodernizacji budynków jednorodzinnych na ograniczenie smogu w Polsce

Rozpoczął się kolejny sezon grzewczy i nad Polską znów zawisł smog. Duży udział budynków jednorodzinnych o niskiej efektywności energetycznej powoduje, że w Polsce zjawisko smogu powstaje głównie jako efekt indywidulanego ogrzewania gospodarstw domowych.

W wielu województwach trwają prace nad przygotowaniem lub nad wdrożeniem w życie tzw. uchwał antysmogowych. Od początku obecnego okresu grzewczego następuje także, nieobserwowany wcześniej, znaczny wzrost cen węgla sprzedawanego gospodarstwom domowym. Oczywistą konsekwencją tego faktu jest wzrost kosztów ogrzewania budynków, a zatem również pogłębianie się tzw. ubóstwa energetycznego.

Rząd już wcześniej zapowiadał przygotowanie programu związanego z poprawą jakości powietrza, jednak przede wszystkim te działania skupiły się na wymianie kotłów grzewczych. Problem w tym, że – jak zgodnie twierdzą eksperci – ma to sens dopiero po ociepleniu domu i wymianie okien, czyli termomodernizacji budynku.

Jaka więc powinna być kolejność działań modernizacyjnych budynków jednorodzinnych podejmowanych w walce z ograniczeniem smogu w Polsce?

Pierwszym etapem modernizacji powinna być termomodernizacja przegród zewnętrznych budynku, a w następnej kolejności wymiana źródeł ciepła i poprawa sprawności instalacji ogrzewczej. Tylko taka kolejność działań, oprócz skutecznego ograniczenia smogu, gwarantuje również obniżenie kosztów ogrzewania budynków jednorodzinnych dla ich właścicieli. Kolejność odwrotna, tzn. termomodernizacja przegród zewnętrznych poprzedzona wymianą źródeł oznacza przewymiarowanie źródeł ciepła, ich późniejszą nieefektywną pracę oraz wzrost kosztów ogrzewania. Właściwie wykonane docieplenie przegród zewnętrznych budynków to również poprawa komfortu ich użytkowania, izolacyjności akustycznej przegród, bezpieczeństwa pożarowego budynków oraz poprawa stanu technicznego i wizualnego całego budynku.

Zgodnie z szacunkami Instytutu Badań nad Bezpieczeństwem, Energetyką i Klimatem („Strategia walki ze smogiem”, ISECS, Warszawa 2016) kompleksowa termomodernizacja istniejących w Polsce budynków jednorodzinnych polegająca na dociepleniu przegród zewnętrznych, wymianie stolarki okiennej, regulacji systemów ogrzewania, daje możliwości ograniczania emisji niektórych substancji tworzących smog (np. benzo(a)pirenu) o co najmniej 44% w skali kraju. Termomodernizacja budynków uzupełniona dodatkowo wymianą przestarzałych kotłów na nowe, opalane zarówno paliwami stałymi, gazowymi lub ciekłymi pozwoli na znacznie wyższe ograniczenie zjawiska smogu. Kompleksowa termomodernizacja, choć oczywiście droższa od samej wymiany źródeł ciepła, niesie za sobą jeszcze kilka bardzo ważnych zalet. Przede wszystkim ogranicza zużycie paliw potrzebnych do ogrzania budynków, a więc pozwala na zmniejszenie kosztów związanych z ogrzewaniem budynków. Co za tym idzie, zmniejsza występowanie zjawiska ubóstwa energetycznego, a także poprawia bezpieczeństwo energetyczne kraju niezależnie od rodzaju paliw stosowanych do ogrzewania budynków jednorodzinnych. Zgodnie z obliczeniami ISECS (Institute for Security, Energy and Climate Studies), przeprowadzenie programu kompleksowej termomodernizacji budynków jednorodzinnych w Polsce dałoby roczne oszczędności energii o wartości około 200 PJ. Właściwie wykonane docieplenie przegród zewnętrznych budynku to również poprawa komfortu użytkowania budynków, izolacyjności akustycznej przegród, bezpieczeństwa pożarowego budynków oraz poprawa ich stanu technicznego i wizualnego.

Przedstawiamy analizę wpływu termomodernizacji przykładowego budynku jednorodzinnego na ograniczenie kosztów ogrzewania oraz zjawiska smogu

W strategiach zmierzających do ograniczania smogu najważniejszym punktem odniesienia powinien być związek pomiędzy podejmowanymi działaniami a konsekwencjami tych działań dla właścicieli budynków jednorodzinnych. Poniżej przedstawiamy wyniki obliczeń potencjalnych oszczędności energii dla przykładowego budynku jednorodzinnego w wyniku jego termomodernizacji. Obliczenia wykonano zgodnie z procedurą wykonywania audytów energetycznych budynków.

Założono, że analizowanym budynkiem jest dom jednorodzinny, parterowy z poddaszem użytkowym. Powierzchnia użytkowa budynku wynosi 137 m2.

II.1 Stan budynku PRZED termomodernizacją

Przegrody zewnętrzne:

Budowa ścian zewnętrznych: Mur z cegły ceramicznej, grubości 52 cm. Współczynnik przenikania ciepła U = 0,93 [W/(m2K)]. Powierzchnia ścian zewnętrznych 130 m2.

Dach: powierzchnia dachu 148 m2. Współczynnik przenikania ciepła U = 0,7 [W/(m2K)]

Podłoga: powierzchnia podłogi 104 m2. Współczynnik przenikania ciepła U = 0,6 [W/(m2K)]

Okna: łączna powierzchnia okien w ścianach zewnętrznych: 10,66 m2. Po dwa okna o wymiarach 1,435 m x 1,635 m na elewacji S i N. Po jednym oknie o wym. 1,135 m x 0,565 m na elewacji E i W. Dla wszystkich okien przyjęto współczynnik przenikania ciepła U = 2,6 W/(m2K).

System c.o:

Przyjęto, że budynek ogrzewany jest kotłem na paliwo stałe. Całkowita sprawność instalacji c.o. wynosi 50%.

Wyniki dotyczące energochłonności:

Wskaźnik zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania, EUco, wynosi 198 kWh/m2/rok. Wskaźnik zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania i wentylacji, EKco, wynosi 396 kWh/m2/rok. Do obliczenia zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania przyjęto, że temperatura powietrza wewnętrznego wynosi 20 oC.

Przyjmując, że jako paliwo wykorzystywany będzie tzw. muł węglowy o wartości opałowej 15 GJ/tonę i cenie 200 zł/tonę to koszty ogrzewania budynku wyniosą 2 585 zł/rok. Zapotrzebowanie na muł węglowy o w/w wartości opałowej wyniesie 13 ton/rok.

Zakładając, że właściciel budynku zamiast paliwa złej jakości wykorzysta węgiel kamienny dobrej jakości (np. ekogorszek) o wartości opałowej 28 GJ/tonę i cenie 900 zł/tonę to koszty ogrzewania budynku wyniosą 6 230 zł/rok. Zapotrzebowanie na węgiel o w/w wartości opałowej wyniesie 6,9 tony/rok.

Wyniki dotyczące emisji w przypadku opalania budynku tzw. ekogroszkiem:

 

b(a)p 56,03 g/rok
Pył PM2,5 76,89 kg/rok
Pył PM10 78,05 kg/rok
CO2 18,16 ton/rok

 

Jeśli właściciel budynku oprócz przejścia na węgiel kamienny dobrej jakości (parametry jw.) zdecydowałby się również na wymianę kotła niskiej sprawności na kocioł nowoczesny, wskaźnik zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania i wentylacji, EKco, wyniesie 247 kWh/m2/rok. Przyjęto, że całkowita średnio-sezonowa sprawność instalacji c.o. po wymianie kotła wyniesie 80%. W tym przypadku koszt ogrzewania analizowanego budynku wyniesie 3895 zł/rok (węgiel 900 zł/tonę o wartości opałowej 28 GJ/tonę)

Ostatnim rozpatrywanym przypadkiem wymiany źródła ciepła bez poprawy izolacyjności cieplnej przegród, będzie zastosowanie kotła kondensacyjnego na gaz ziemny. W tym wariancie całkowita, średnio – sezonowa sprawności instalacji c.o. wyniesie 90%. Ponieważ budynek nie był poddany termomodernizacji jego wskaźnik zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania, EUco wynosi, tak jak w wariancie wyjściowym 198 kWh/m2/rok. W wyniku zastosowania sprawniejszego źródła ciepła, wskaźnik zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania, EKco, wyniósł 220 kWh/m2/rok. Zapotrzebowanie na gaz ziemny wyniesie zatem 3163 m3/rok (wartość opałowa gazu ziemnego 34,3 MJ/m3), a roczne koszty ogrzewania budynku – 7275 zł/rok.

II.2 Stan budynku PO termomodernizacji

Termomodernizacja przegród zewnętrznych:

Ściany zewnętrzne: Docieplenie ścian zewnętrznych wełną mineralną o grubości 20 cm i współczynniku przewodzenia ciepła 0,036 W/(mK). Współczynnik przenikania ciepła U ścian zewnętrznych po dociepleniu 0,15 [W/(m2K)]

Dach: Docieplenie dachu wełną mineralną o grubości 30 cm i współczynniku przewodzenia ciepła 0,036 W/(mK). Współczynnik przenikania ciepła U dachu po dociepleniu 0,11 [W/(m2K)]

Podłoga: Docieplenie podłogi wełną mineralną o grubości 15 cm i współczynniku przewodzenia ciepła 0,036 W/(mK). Współczynnik przenikania ciepła U podłogi po dociepleniu 0,2 W/(m2K).

Okna: Dla okien przyjęto współczynnik przenikania ciepła U = 1,1 W/(m2K).

Wyniki dotyczące energochłonności:

Wskaźnik zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania EUco po termomodernizacji przegród zewnętrznych wynosi 53 kWh/m2/rok. Przed modernizacją przegród zewnętrznych wskaźnik EUco wynosił 198 kWh/m2/rok. Do obliczenia zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania przyjęto, że temperatura powietrza wewnętrznego wynosi 20 oC

Zakładając, że w budynku nie wymieniono źródła ciepła (sprawność instalacji c.o. 50%), wskaźnik zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania EKco wyniesie 106 kWh/m2/rok. Stosując w tym budynku, jako paliwo węgiel kamienny (np. ekogroszek) o wartości opałowej 28 GJ/tonę i cenie 900 zł/tonę roczne koszty ogrzewania budynku wyniosą 1660 zł/rok.

W tabeli poniżej przedstawiono wyniki dotyczące emisji zanieczyszczeń do powietrza zewnętrznego dla opisanego wyżej wariantu termomodernizacji:

 

b(a)p 15 g/rok
Pył PM2,5 21 kg/rok
Pył PM10 21 kg/rok
CO2 4,92 ton/rok

 

Gdyby po przeprowadzonej termomodernizacji przegród zewnętrznych wymienić również źródło ciepła, na nowoczesny kocioł węglowy wówczas koszty ogrzewania budynku wyniosły by 1040 zł/rok, a wartość wskaźnika EKco 66 kWh/m2/rok (całkowita sprawność instalacji c.o. 80%).

W tym wypadku emisja zanieczyszczeń do powietrza zewnętrznego wyniesie:

 

b(a)p 9,4 g/rok
Pył PM2,5 13 kg/rok
Pył PM10 13 kg/rok
CO2 3,05 ton/rok

 

W przypadku zmiany nośnika energii na gaz ziemny i wymianie źródła ciepła na kocioł gazowy (całkowita sprawność instalacji c.o. 90%) koszty ogrzewania budynku, po przeprowadzonej wcześniej termomodernizacji przegród zewnętrznych, wyniosą 2024 zł/rok. Wartość wskaźnika EKco wyniesie 59 kWh/m2/rok, ilość zużywanego gazu ziemnego 850 m3/rok, zaś emisja zanieczyszczeń do powietrza zewnętrznego:

 

b(a)p 0 g/rok
Pył PM2,5 0,015 kg/rok
Pył PM10 0,015 kg/rok
CO2 1,7 ton/rok

 

Poniżej przedstawiono tabelaryczne podsumowanie wyników termomodernizacji analizowanego budynku jednorodzinnego.

Dane dla budynku jednorodzinnego – stan przed termomodernizacją:

Opis – przed termomodernizacją Wartość Jednostka
Współczynnik przenikania ścian zewnętrznych, Usc 0,93 [W/(m2 K)]
Współczynnik przenikania podłogi, Upg 0,6 [W/(m2 K)]
Współczynnik przenikania ciepła dachu, Ud 0,7 [W/(m2 K)]
Współczynnik przenikania okien, Ud 2,6 [W/(m2 K)]
Wskaźnik zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji, EUco 198 [kWh/(m2 rok)]

 

Dane dla budynku jednorodzinnego – stan po termomodernizacji:

Opis – po termomodernizacji Wartość Jednostka
Współczynnik przenikania ścian zewnętrznych, Usc 0,15 [W/(m2 K)]
Współczynnik przenikania podłogi, Upg 0,2 [W/(m2 K)]
Współczynnik przenikania ciepła dachu, Ud 0,11 [W/(m2 K)]
Współczynnik przenikania okien, Ud 1,1 [W/(m2 K)]
Wskaźnik zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji, EUco 53 [kWh/(m2 rok)]

 

Porównanie wskaźników zapotrzebowania na energię końcową oraz kosztów ogrzewania dla budynku przed i po termomodernizacji:

Opis PRZED termomodernizacją PO termomodernizacji Jednostka
Wskaźnik zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania, sprawność instalacji c.o. 50% 396 106 kWh/(m2 rok)
Ilość – węgiel kamienny o wartości opałowej 28 GJ/t, sprawność instalacji c.o. 50% 6,9 1,9 t/rok
Koszt ogrzewania 6 230 1 660 zł/rok
Wskaźnik zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania, sprawność instalacji c.o. 80 % 247 66 kWh/(m2 rok)
Ilość – węgiel kamienny o wartości opałowej 28 GJ/t, sprawność instalacji c.o. 80% 4,35 1,2 t/rok
Koszt ogrzewania 3 895 1 040 zł/rok
Wskaźnik zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania, sprawność instalacji c.o. 90 % 220 59  kWh/(m2 rok)
Ilość paliwa – gaz ziemny o wartości opałowej 34 MJ/m3, sprawność instalacji c.o. 90 % 3 163 850 m3/rok
Koszt ogrzewania 7 275 2 024 zł/rok