Okna, które oszczędzają energię

Stolarka okienna, jako przegroda przezroczysta, ma duży wpływ na zapotrzebowanie energetyczne budynku. Zastosowanie okien o lepszych parametrach pozwala zminimalizować straty ciepła oraz zmniejszyć koszty ogrzewania budynku. Dodatkową zaletą okien energooszczędnych jest ograniczenie negatywnego wpływu na środowisko w okresie grzewczym. Niestety, nowoczesne rozwiązania technologiczne stosowane w przemyśle okiennym są dość drogie. W efekcie, z punktu widzenia inwestora, istotna jest relacja między nakładami inwestycyjnymi a korzyściami ekonomicznymi wynikająca z podjętej decyzji o wyborze danej stolarki okiennej.

Jednym z wyzwań współczesnego budownictwa jest dobranie odpowiednich materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych, które pozwoliłyby na spełnienie coraz bardziej restrykcyjnych norm w zakresie zapotrzebowania energetycznego budynków. W tym aspekcie projektanta ograniczają w zasadzie jedynie warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1]. Jednak ze względu na wieloletnią inwestycję i eksploatację budynku projektant powinien się także kierować innymi zaleceniami czy dyrektywami zawartymi w prawodawstwie krajowym lub unijnym. Do takich podstawowych dokumentów należą Polityka Energetyczna Polski do 2030 r., Strategia Zrównoważonego Rozwoju oraz dyrektywa w sprawie efektywności energetycznej. Dodatkowo Strategia Bezpieczeństwo Energetyczne i Środowisko do 2020 r. określa konieczność zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego przez poprawę efektywności energetycznej w każdym obszarze gospodarki [2]. Wymienione dokumenty obejmują aspekt ograniczenia zużycia energii poprzez wiele działań, do których można zaliczyć zarówno przejście do odnawialnych źródeł energii, jak i poprawę izolacyjności budynków w celu zmniejszenia strat ciepła.

Rys. 1 Nakłady inwestycyjne oraz koszty uniknięte dla wariantu I

Sposobem na zmniejszenie kosztów oraz zużycia energii jest poprawa efektywności energetycznej budynku. Jednym z ważnych elementów są okna. Jako elementy przezroczyste o stosunkowo wysokich współczynnikach przenikania ciepła w dość istotny sposób wpływają na wysokość strat ciepła w budynku. Istotny jest nie tylko rodzaj zastosowanego okna, ale także sposób jego umocowania i zaizolowania. Nawet najlepsze okno niewłaściwie umocowane nie pozwoli na osiągnięcie odpowiedniego komfortu cieplnego.

Warunki techniczne określają maksymalną wartość współczynnika przenikania ciepła Uw stolarki okiennej, jest to główny parametr decydujący wyborze okna. Obecnie obowiązującą wartością jest U_w = 1,1 W•m^-2•K^-1. Należy jednak zaznaczyć, że od stycznia 2021 r. wymogi będą bardziej restrykcyjne, zobowiązując producentów do poprawy parametrów oferowanych produktów [1]. Szczegółowe dane zestawiono w tab. 1.

Tab. 1 Wartości współczynnika przenikania ciepła U_w okien [1]

Na polskim rynku dostępnych jest wiele modeli okien energooszczędnych pasywnych. Najlepsze z nich posiadają współczynnik przenikania ciepła nieco poniżej 0,6 W•m^-2•K^-1. Z kolei na rynku niemieckim dostępne są już okna o U_w wynoszącym 0,45 W•m^-2•K^-1. Warto zaznaczyć, że obniżanie współczynnika przenikania ciepła związane jest z wysokimi kosztami takich okien ze względu na stosowane materiały i rozwiązania techniczne.

Rys. 2 Nakłady inwestycyjne oraz koszty uniknięte dla wariantu II

Niezależnie od materiałów budowlanych bardzo duży wpływ na opłacalność przedsięwzięć termomodernizacyjnych, do których należy wymiana lub wybór odpowiedniej stolarki okiennej, ma rodzaj wykorzystywanego nośnika energii w budynku. Paliwa wykorzystywane do ogrzewania różnią się nie tylko właściwościami fizyczno-chemicznymi, ale przede wszystkim ceną. W efekcie rodzaj źródła energii może znacząco wpływać na proces decyzyjny przy doborze poszczególnych elementów budynku.

W artykule przeprowadzono analizę zastosowania różnych wariantów stolarki okiennej z uwzględnieniem kosztów inwestycyjnych, kosztów eksploatacyjnych związanych z ogrzewaniem budynku oraz wpływu zastosowanego rozwiązania na środowisko.

Rys. 3 Nakłady inwestycyjne oraz koszty uniknięte dla wariantu III

Metodyka obliczeń

Obliczenia przeprowadzono dla modelowego budynku jednorodzinne go zamieszkanego przez pięć osób. Parametry budynku przedstawiono w tab. 2.

Tab. 2 Parametry budynku jednorodzinnego

Zgodnie z [3] obliczono zapotrzebowanie energetyczne budynku. Przyjęta metodyka pozwoliła na obliczenie wysokości strat ciepła przez przegrody i wentylację, a także na określenie wysokości zysków ciepła m.in. od promieniowania słonecznego. Na podstawie uzyskanych wartości obliczono zapotrzebowanie na energię użytkową, energię końcową oraz energię pierwotną.

Do dalszych obliczeń posłużono się wskaźnikiem zapotrzebowania na energię pierwotną (EP), który pozwala określić zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną (przypadającą na 1 m² powierzchni użytkowej w ciągu roku) na potrzeby ogrzewania, wentylacji, chłodzenia oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Podstawowe obliczenia przeprowadzono przy uwzględnieniu standardowych, powszechnie stosowanych okien o współczynniku przenikania ciepła U_w = 1,1 W•m^-2•K^-1 (wariant 0). Następnie przeprowadzono obliczenia dla nowoczesnych okien o zmniejszonym współczynniku przenikania ciepła. Dodatkowo w wariancie IV uwzględniono zastosowanie najlepszych okien dostępnych na rynku niemieckim.
Parametry analizowanych okien zestawiono w tab. 3.

Tab. 3 Parametry okien [5-12]

* Wycena okien w Niemczech, kurs z dnia 31.08.2017,1 EUR = 4,257 zł [4].

Rys. 4 Nakłady inwestycyjne oraz koszty uniknięte dla wariantu IV

Koszt okien dla poszczególnych wariantów z tab. 3 obejmuje zarówno koszt samego okna, jak również materiałów montażowych oraz usługi montażu.

W kolejnym etapie obliczono zapotrzebowanie na energię pierwotną w zależności od zastosowanego źródła ciepła w budynku; w tab. 4 zestawiono parametry wybranych paliw.

Następnie obliczono wartość wskaźnika EP w odniesieniu do okna standardowego (wariant 0) i dla poszczególnych wartości ΔEP obliczono poziom oszczędności.

Obliczenia przeprowadzono zgodnie ze wzorem:

K_u = ΔEP • C • P                 (1)

gdzie: K_u – koszty uniknięte (oszczędności względem wariantu 0) [zł•rok-1]; ΔEP – różnica współczynnika zapotrzebowania na energię pierwotną między budynkiem z oknami standardowymi (wariant 0) a oknami energooszczędnymi [kWh•m^-2•rok^-1]; C – koszt ciepła [zł•kWh^-1]; P – powierzchnia użytkowa budynku [m²]. Uzyskana wartość oszczędności pozwoliła na wyliczenie prostego okresu zwrotu z inwestycji. Obliczenia przeprowadzono zgodnie ze wzorem:

SPBT = K_l/K_u                      (2)

gdzie: SPBT – prosty okres zwrotu inwestycji [lata]; K_I – koszty inwestycyjne poszczególnych wariantów [zł]; K_u – koszty uniknięte (oszczędności z tytułu zastosowania wybranego wariantu) [zł•rok^-1].

W celu uwzględnienia wpływu na środowisko wyliczono wielkość emisji unikniętej CO₂ dla każdego z wariantów w zależności od zastosowanego źródła ciepła w budynku. Zastosowano wskaźniki udostępnione przez Krajowy Ośrodek Bilansowania i Zarządzania Emisjami. Wartości wskaźników zestawiono w tab. 5.

Obliczenie wielkości emisji unikniętej przeprowadzono zgodnie ze wzorem:

E_CO2 = WE_CO2 • ΔEP • P  (3)

gdzie: E_CO2 – wielkość emisji w zależności od źródła ciepła [kg•rok^-1]; WE_CO2 – wskaźnik emisji w zależności od źródła ciepła [kg•GJ^-1]; P – powierzchnia użytkowa budynku [m²].

Tab. 4 Parametry paliw i energii elektrycznej

Rys. 5 Nakłady inwestycyjne oraz koszty uniknięte dla wszystkich wariantów

Wyniki i dyskusja

Obliczone wartości wskaźnika zapotrzebowania na energię pierwotną EP oraz wartości ΔEP dla poszczególnych wariantów zestawiono w tab. 6.

Na podstawie danych zawartych w tab. 6 stwierdzono, że wraz ze spadkiem wartości współczynnika przenikania ciepła U_w maleje wartość wskaźnika zapotrzebowania na energię pierwotną EP. Jest to wynikiem zmniejszenia strat ciepła poprzez stolarkę okienną. Im niższy współczynnik U_w okna, tym mniejsze zapotrzebowanie energetyczne budynku.

Koszty inwestycyjne, koszty uniknięte oraz prosty okres zwrotu zestawiono w tab. 7. Przedstawione koszty inwestycyjne zostały pomniejszone o koszt inwestycyjny wariantu 0, dzięki czemu można określić rzeczywistą opłacalność zastosowania rozwiązania energooszczędnego w stosunku do standardowego.

Graficzne porównanie wariantów I—IV pod względem nakładów inwestycyjnych i uzyskanych skumulowanych oszczędności w okresie 20 lat przedstawiono na rys. 1-4.

Na podstawie analizy tab. 7 oraz rys. 1-4 stwierdzono, że zastosowanie okien o niższym współczynniku przenikania ciepła wpływa na obniżenie kosztów eksploatacyjnych budynku. Jednak znaczny wzrost kosztów inwestycyjnych dla wariantu III oraz IV wskazuje, że rozwiązania energooszczędne mimo większego ograniczenia zużycia energii w budynku są jeszcze za drogie i w konsekwencji nieopłacalne. Okres zwrotu, w zależności od zastosowanego rozwiązania i źródła ciepła w budynku, wynosi od 6 lat (dla źródła ciepła w postaci energii elektrycznej i wariantu II) do nawet 256 lat (dla źródła ciepła w postaci węgla kamiennego i wariantu IV). Taka wysoka wartość wskaźnika SPBT wynika po części z różnic w warunkach panujących na rynku polskim i niemieckim (koszty pracy, usługi, zarobki itp.), jednak nadal potwierdza, że okna o skrajnie niskich wartościach współczynnika przenikania ciepła są nowością techniczną o wysokich kosztach produkcji.

Tab. 5 Wskaźniki emisji i wartości opałowe dla wybranych źródeł energii [13, 14]

*Wskaźnik emisji dla energii elektrycznej z uwzględnieniem strat wynosi 825,412 kgCO₂•MWh^-1 [14].

Tab. 6 Wartości współczynników EP i ΔEP dla budynku w zależności od zastosowanego rodzaju okna

Na rys. 5 przedstawiono nakłady inwestycyjne oraz koszty uniknięte dla wszystkich wariantów.

Wartość skumulowanych kosztów unikniętych ściśle zależy od zastosowanego wariantu (rys. 5), a więc współczynnika U_w. Można zaobserwować wzrost oszczędności przy różnych źródłach energii w budynku, jednak wartości te się zmieniają proporcjonalnie. Kluczowym zatem elementem wpływającym na opłacalność inwestycji w nowoczesną stolarkę okienną jest koszt inwestycyjny oraz rodzaj nośnika energii do ogrzewania budynku. Należy podkreślić, że w analizie nie uwzględniono potencjalnego wzrostu cen nośników energii w przyszłości, które mogą znacząco poprawić wskaźnik SPBT. Porównanie zaproponowanych wariantów wykazało, że najlepszym rozwiązaniem pod względem ekonomicznym są okna w wariancie II, które mają korzystny stosunek między nakładami inwestycyjnymi a osiąganymi oszczędnościami. Okres zwrotu jest także najkrótszy dla wariantu II i wynosi 31 lat w przypadku ogrzewania węglem, a jedynie 6 lat w przypadku wykorzystania energii elektrycznej na cele grzewcze.

Tab. 7 Koszty inwestycyjne oraz SPBT dla różnych wariantów w zależności od źródła ciepła

Oprócz aspektów ekonomicznych dla coraz większej grupy inwestorów istotne są także aspekty środowiskowe. Tabela 8 obrazuje wielkość emisji unikniętej E_CO2 w zależności od zastosowanego źródła energii w budynku. Analiza wskaźnika emisji unikniętej wykazała, że największy efekt środowiskowy można uzyskać w przypadku ogrzewania budynku przy użyciu energii elektrycznej. Wynika to z niskiej sprawności wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach konwencjonalnych spalających węgiel, która w gospodarstwie domowym zamieniana jest ponownie na ciepło. Najmniejszą wartość emisji unikniętej uzyskano dla gazu ziemnego. Gaz ziemny, jako paliwo stosunkowo ekologiczne, emituje niewielkie ilości CO₂ do atmosfery.

Analiza zaproponowanych wariantów zarówno pod względem ekonomicznym, jak i ekologicznym wykazała duże rozbieżności wyników. Najlepszym rozwiązaniem pod względem ekonomicznym jest wariant II, który pozwala osiągnąć najlepszy stosunek kosztów unikniętych do inwestycyjnych, natomiast najlepszym rozwiązaniem pod względem środowiskowym są okna w wariancie IV.

Wnioski

Z przeprowadzonych analiz wynika, że rozwiązanie z zastosowaniem okien o bardzo niskim współczynniku przenikania ciepła pozwala na osiągnięcie największych korzyści środowiskowych, jednak nie przekłada się to na zyski finansowe w postaci kosztów unikniętych za ogrzewanie nawet w dłuższej perspektywie czasowej. Należy jednak zaznaczyć, że na okres zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych duży wpływ ma rodzaj nośnika energii. Dla tego samego wariantu okna wskaźnik SPBT zmienia się od 12 lat (dla wariantu III i energii elektrycznej) do 61 lat (dla wariantu III i węgla). Stwierdzono, że energooszczędna stolarka okienna jest najbardziej opłacalna ekonomicznie i ekologicznie w przypadku ogrzewania budynku za pomocą energii elektrycznej. Z kolei najdłuższy okres zwrotu jest w przypadku ogrzewania budynku węglem. Każdy inwestor powinien indywidualnie przeprowadzić analizę własnego studium przypadku (z ujęciem aspektów ekonomicznych i środowiskowych) przed finalnym podjęciem decyzji o realizacji przedsięwzięcia,
zwłaszcza że konsekwencje wyboru będą odczuwalne w długim okresie (nawet 30 lat).

Tendencją na rynku jest zmniejszenie energochłonności budynków. Jednak nowoczesne rozwiązania są nadal w fazie rozwoju i dlatego cechują się znacznie wyższymi nakładami inwestycyjnymi w porównaniu z popularnymi. Duża konkurencja na rynku okien i obecnie obowiązujące prawo sprzyjają powstawaniu coraz bardziej energooszczędnych produktów. Z tego względu można się spodziewać, że takie rozwiązania będą z czasem tanieć i opłacalne się stanie inwestowanie w ekologiczną stolarkę okienną.

mgr inż. Klaudia Urbańska

SKN BioEnergia Wydział Przyrodniczo-Technologiczny

dr inż. Arkadiusz Dyjakon

Instytut Inżynierii Rolniczej

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu

Literatura

1. Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
2. http://www.kigeit.org.pl/FTP/PRCIP/Literatura/008_3_Strategia_Bezpieczenstwo_Energetyczne_i_Srodowisko_2020.pdf
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej.
4. https://www.money.pl/pieniadze/kurs/eur,978.html
5. http://veka.pl/index.php?id=76
6. http://oknacennik.pl/okna.php?ceny=veka_alphaline
7. http://oknacennik.pl/okna.php?ceny=aluplast_ideal_8000
8. http://www.aluplast.com.pl/aluplast-ideal-8000
9. http://adams.com.pl/files/foldery/Ulotka%20Passiv-line%20Plus%20i%20Ultra.pdf
10. http://www.oknoekspert.com/index.php?mact=News%2Ccntnt01%2Cdetail0/o2C0S.cntnt01articleid=9S.cntnt01returnid=21
11. http://passiv.de/de/08_award/2014_04_25_results_component_award_18pht.pdf
12. https://www.drutex.pl/pl/produkty/iglo-energy-classic.html
13. http://www.kobize.pl/uploads/materialy/materialy_do_pobrania/monitorowanie_raportowanie_weryfikacja_emisji_w_eu_ets/WO_i_WE_do_stosowania_w_SHE_2016. pdf
14. http://www.kobize.pl/uploads/materialy/materialy_do_pobrania/wskazniki_emisyjnosci/160616_WSKAZNIKI_CO2.pdf