techniczna i gospodarcza analiza oraz prognozowanie nakładów

techniczna i gospodarcza analiza oraz prognozowanie nakładów

Technica Agraria 2(2) 2003, 69-75
TECHNICZNA I GOSPODARCZA ANALIZA
ORAZ PROGNOZOWANIE NAKŁADÓW ENERGETYCZNYCH NA OGRZEWANIE BUDYNKÓW MIESZKALNYCH
NA TERENACH WIEJSKICH
Małgorzata Trojanowska, Tomasz Szul
Streszczenie. W pracy przedstawiono analizĊ zuĪycia paliw i energii do ogrzewania budynków mieszkalnych. W szczególnoĞci wyznaczono wskaĨniki sezonowego zapotrzebowania
na ciepło w badanych obiektach i ich korelacjĊ z rokiem budowy lub termomodernizacji budynków. Na podstawie analizy opracowano model jednostkowego zapotrzebowania na ciepło do celów grzewczych, w postaci nadającej siĊ do wykorzystania przez samorządy terytorialne przy opracowywaniu planów zapotrzebowania na ciepło. Przedstawiono równieĪ analizĊ struktury Ĩródeł ciepła wykorzystanych do ogrzewania budynków ze wzglĊdu na rodzaj
stosowanych paliw i wiek instalacji grzewczej, a takĪe plany właĞcicieli budynków w zakresie termomodernizacji budynków i modernizacji systemu ogrzewania.
Słowa kluczowe: planowanie energetyczne, ogrzewanie budynków mieszkalnych
WSTĉP
Zaopatrzenie w ciepło jest jednym z najwaĪniejszych działów sektora energii, gdyĪ
na ten cel zuĪywa siĊ ponad 40% energii pierwotnej [Cherubin 1997], a od sprawnoĞci,
jakoĞci i niezawodnoĞci zaopatrzenia w ciepło zaleĪy zarówno efektywnoĞü przemysłu i
usług, jak i komfort socjalno-bytowy społeczeĔstwa.
Ustawy z dnia 8 marca 1990 roku O samorządzie terytorialnym [Dz.U. z 1996 r.
nr 13] oraz z 10 kwietnia 1997 roku Prawo energetyczne [Dz.U. z 1997 r. nr 54], stanowią obowiązujące uregulowania prawne w zakresie planowania i organizacji zaopatrzenia w ciepło, energiĊ elektryczną i paliwa gazowe na obszarze gmin. Obligują one
jednostki samorządu terytorialnego do sporządzania załoĪeĔ do planów oraz samych
planów zaopatrzenia w energiĊ i paliwa. Projekt załoĪeĔ powinien zawieraü ocenĊ stanu
aktualnego i przewidywanych zmian zapotrzebowania na ciepło, energiĊ elektryczną
i paliwa gazowe, okreĞlaü przedsiĊwziĊcia racjonalizujące ich uĪytkowanie, a takĪe
wskazywaü moĪliwoĞci wykorzystania istniejących nadwyĪek i lokalnych zasobów
paliw i energii.
70
M. Trojanowska, T. Szul
Kluczowym elementem w planowaniu energetycznym jest okreĞlenie wielkoĞci zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków w danym regionie [Robakiewicz
1998]. Ocena wielkoĞci tego zapotrzebowania jest zadaniem szczególnie trudnym na
obszarach wiejskich, gdzie dominują budynki jednorodzinne w wiĊkszoĞci wyposaĪone
w indywidualne Ĩródła ciepła, a władze gminne nie dysponują danymi na temat wielkoĞci i struktury zuĪycia energii cieplnej w budynkach mieszkalnych.
Ocena potrzeb energetycznych budynków moĪe byü wykonana przez sporządzenie
uproszczonych audytów energetycznych, co przy duĪej liczbie domów jest czasochłonne i trudne do wykonania. Innym sposobem jest wykorzystanie wskaĨników jednostkowego zuĪycia energii. Istniejące w tym zakresie opracowania są mało przydatne przy
opracowywaniu planów, gdyĪ zazwyczaj podają wartoĞci teoretycznego zapotrzebowania [Robakiewicz 1998], a nie rzeczywistego zuĪycia energii cieplnej w budynkach
jednorodzinnych.
Celem pracy była analiza zuĪycia energii do ogrzewania budynków mieszkalnych
na obszarach wiejskich i opracowanie na jej podstawie modelu jednostkowego zapotrzebowania na energiĊ cieplną w postaci nadającej siĊ do praktycznego wykorzystania,
zwłaszcza przez samorządy terytorialne przy sporządzaniu planów potrzeb energetycznych.
MATERIAŁ I METODY
Cel pracy zrealizowano na podstawie badaĔ przeprowadzonych w 400 losowo wybranych gospodarstwach domowych i rolnych połoĪonych na obszarach wiejskich województwa małopolskiego. Liczba gospodarstw została ustalona w sposób zapewniający
ocenĊ wielkoĞci sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków
z błĊdem oszacowania wartoĞci przeciĊtnej tego wskaĨnika na poziomie ok. 5%. LiczebnoĞü i charakterystyka badanych gospodarstw dały podstawĊ do uznania ich za
reprezentatywne dla analizowanego obszaru.
W ramach badaĔ, obok danych dotyczących wielkoĞci zuĪycia opału w sezonie
grzewczym, powierzchni mieszkalnej i wysokoĞci pomieszczeĔ, zebrano m.in. informacje na temat: roku budowy budynków, ich powierzchni ogrzewanej, sposobu ogrzewania budynków, roku produkcji kotła centralnego ogrzewania, termomodernizacji budynków oraz zamierzeĔ dotyczących ewentualnej zmiany sposobu i rodzaju ogrzewania.
Zebrane dane opracowano statystycznie, przeprowadzając analizĊ korelacji i analizĊ
regresji. Wszystkie hipotezy statystyczne weryfikowano na poziomie istotnoĞci
Į = 0,05.
WYNIKI
Podstawowe parametry charakteryzujące badane budynki są nastĊpujące (Ğrednio):
powierzchnia domu 137 m2, powierzchnia ogrzewana 128 m2, a wysokoĞü pomieszczenia – 2,6 m. Jak moĪna zauwaĪyü Ğrednia powierzchnia ogrzewana budynków jest
mniejsza od ich powierzchni mieszkalnej, co wiąĪe siĊ z ograniczeniem, a nawet wyłą_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Acta Sci. Pol.
Techniczna i gospodarcza analiza oraz prognozowanie nakładów energetycznych...
71
czaniem z ogrzewania pewnych partii budynków ze wzglĊdu na wysoki koszt ogrzewania. Jedna czwarta właĞcicieli budynków ze wzglĊdów oszczĊdnoĞciowych nie ogrzewa
celowo niektórych pomieszczeĔ, obniĪając w nich temperaturĊ.
Potrzeby energetyczne na ogrzewanie budynków zaspakajane są za pomocą czterech
grup noĞników energetycznych:
– paliw stałych (wĊgiel, drewno),
– paliw ciekłych (olej opałowy, gaz propan-butan),
– paliwa gazowego (gaz ziemny wysokometanowy),
– energii elektrycznej.
ĝrednie zuĪycie noĞników energetycznych w sezonie grzewczym na ogrzewanie budynków w badanych gospodarstwach wynoszą Ğrednio: wĊgiel – 4,42 t, drewno – 4,55 t,
gaz ziemny – 2418 m3. Rodzaj zuĪywanego noĞnika uzaleĪniony jest od rodzaju instalacji grzewczej budynków. StrukturĊ budynków mieszkalnych na badanych obszarach
wiejskich ze wzglĊdu na rodzaj stosowanej instalacji grzewczej przedstawiono na rysunku 1.
W gospodarstwach indywidualnych nadal podstawowym noĞnikiem energii jest wĊgiel, ale ze wzglĊdów ekonomicznych bądĨ praktycznych zaczyna byü zastĊpowany
innymi noĞnikami. W badanych obiektach najczĊĞciej zastĊpuje go drewno opałowe,
gaz przewodowy lub teĪ w niewielkich iloĞciach gaz propan-butan oraz energia elektryczna. Drewno, jako podstawowy noĞnik energetyczny, jest wykorzystywane w ok.
5% badanych budynków. W pozostałych obiektach opalanych paliwami stałymi stosowany jest wymiennie wĊgiel i drewno.
WielkoĞü nakładów energii do ogrzewania budynków zaleĪy od kilku czynników,
a w szczególnoĞci od strat ciepła przez przegrody budynków oraz od sprawnoĞci systemu ogrzewania. SprawnoĞü układu grzewczego w duĪym stopniu związana jest z jego
wiekiem.
centralne ogrzewnie z
kotłami gazowymi
12%
inne
5%
piece kaflowe na paliwa
stałe
11%
centralne ogrzewanie z
kotłami na paliwa stałe
72%
Rys. 1. Struktura wyposaĪenia w instalacje grzewcze budynków mieszkalnych na obszarach
wiejskich województwa małopolskiego
Fig. 1. Structure of the equipment with heating installations in residential buildings in rural areas
of Malopolska voivodship
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Technica Agraria 2(2) 2003
72
M. Trojanowska, T. Szul
po 2001
5%
do 1980
18%
1991 - 2000
43%
1981 - 1990
34%
Rys. 2. Struktura budynków mieszkalnych na obszarach wiejskich województwa małopolskiego
ze wzglĊdu na rok produkcji kotłów centralnego ogrzewania
Fig. 2. Structure of residential buildings in rural areas of Malopolska voivodship depends on the
year of output of common heating boilers
Rysunek 2 przedstawia strukturĊ budynków ze wzglĊdu na rok produkcji kotła centralnego ogrzewania. Analizowane budynki w duĪej czĊĞci wyposaĪone są w stare piece
i kotły centralnego ogrzewania, które charakteryzują siĊ niską sprawnoĞcią. Pociąga
to za sobą zwiĊkszone zuĪycie paliwa oraz negatywne oddziaływanie na Ğrodowisko
naturalne.
NajczĊĞciej stosowanym w Polsce wskaĨnikiem energetycznym do okreĞlenia standardu energetycznego budynków jest wskaĨnik sezonowego zapotrzebowania na ciepło
Es, wyznaczany jako stosunek zapotrzebowania na energiĊ koĔcową do ogrzania budynku w standardowym sezonie grzewczym i powierzchni ogrzewanej. WskaĨnik ten
uwzglĊdnia sprawnoĞü instalacji grzewczej i wbudowanego Ĩródła ciepła – ma wiĊc
podstawowe znaczenie równieĪ w analizie opłacalnoĞci proponowanych działaĔ termomodernizacyjnych [Robakiewicz 1998, Augusiak i Buüko 2000].
Przeprowadzona analiza standardu energetycznego oparta na wskaĨniku Es pozwoliła na okreĞlenie udziałów budynków zaliczonych do poszczególnych klas (rys. 3).
ĝrednie zapotrzebowanie na energiĊ Es w badanych obiektach wynosi 310 kWh/m2·a.
WielkoĞü wskaĨnika Es istotnie zaleĪy od roku budowy budynku (rys. 4). NajniĪszym
wskaĨnikiem Es charakteryzowały siĊ budynki nowe i poddane termomodernizacji,
stanowiące ok. 17% ogółu budynków, które w wiĊkszoĞci były ogrzewane gazem.
NajwyĪsze zapotrzebowanie na energiĊ odnotowano w budynkach ponad dwudziestoletnich, wyposaĪonych w głównej mierze w piece kaflowe i stare kotły centralnego
ogrzewania.
Przyjmuje siĊ, Īe w warunkach polskich budynek po kompleksowej termomodernizacji powinien osiągnąü standard cieplny wyraĪony wskaĨnikiem Es na poziomie ok.
140 kWh/m2·a [Robakiewicz 1998]. Porównanie wielkoĞci przedstawionych wyników
badaĔ z tą wartoĞcią pozwala zorientowaü siĊ o ciągle duĪym potencjale oszczĊdnoĞci
energii.
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Acta Sci. Pol.
Techniczna i gospodarcza analiza oraz prognozowanie nakładów energetycznych...
73
25%
Udział procentowy
20%
15%
10%
5%
0%
do 200
201 - 250
251 - 300
301 - 350
351 - 400
pow. 400
Es, kWh*(m2*a)-1
Rys. 3. Struktura budynków mieszkalnych na obszarach wiejskich województwa małopolskiego
zaleĪnie od wielkoĞci wskaĨnika ES
Fig 3. Structure of buildings in rural areas of Malopolska voivodship depends on the value ES index
500
450
2
Es[kWh/m *a]
400
350
300
250
200
150
100
50
1950
1960
1970
1980
1990
2000
Rok
Rys. 4. WielkoĞü wskaĨnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło Es zaleĪnie od roku budowy
lub termomodernizacji budynku
Fig. 4. Value of the index of seasonal heating demand Es depends on the construction or the
modernisation year of the building
Za pomocą programu STATISTICA [StatSoft 1995] został opracowany model,
w postaci funkcji empirycznej wielomianu stopnia drugiego, odwzorowujący zapotrzebowanie na energiĊ w funkcji roku budowy budynku. Model ma nastĊpującą postaü:
Es = 356,4 + 2,18·Rb – 0,124·Rb2
współczynnik determinacji R2 = 0,65
gdzie: Es – wskaĨnik sezonowego zapotrzebowania na energiĊ do celów grzewczych, kWh/m2·a,
Rb = t – 1950; t = 1951,...., 2000,
t – rok budowy lub termomodernizacji budynku mieszkalnego.
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Technica Agraria 2(2) 2003
74
M. Trojanowska, T. Szul
Aby móc oszacowaü wielkoĞü przyszłych potrzeb energetycznych, niezbĊdne jest zebranie informacji na temat planów związanych z termomodernizacją budynków
i ewentualną zmianą systemu ogrzewania, a co za tym idzie rodzaju stosowanego paliwa. Przeprowadzone badania ankietowe pozwoliły okreĞliü plany modernizacyjne.
W najbliĪszych latach termomodernizacjĊ budynku planuje wykonaü 62%, a zmodernizowaü system ogrzewania zamierza jedna czwarta właĞcicieli budynków. SpoĞród planujących modernizacjĊ systemu ogrzewania 59% zamierza zastąpiü kotły wĊglowe
kotłami gazowymi, zaĞ 17% planuje zakup nowych kotłów wĊglowych, przystosowanych do spalania miału wĊglowego, które charakteryzują siĊ wysoką sprawnoĞcią.
Widoczne jest równieĪ zainteresowanie drewnem i słomą jako paliwami alternatywnymi dla wĊgla, gdyĪ ok. 20% właĞcicieli budynków chciałoby kupiü kotły do spalania
biomasy.
WNIOSKI
1. Na terenach wiejskich województwa małopolskiego Ğredni wskaĨnik sezonowego
zapotrzebowania na ciepło Es kształtuje siĊ na poziomie 310 kWh/m2, przy czym w ok.
połowie budynków roczne zuĪycie energii na ich ogrzewanie zawiera siĊ w przedziale
250–350 kWh/m2.
2. W budynkach dominują indywidualne Ĩródła ciepła. W starszych budynkach są
to przewaĪnie paleniska na paliwa stałe (11%), w nowych budynkach powszechnie
stosowane są kotły centralnego ogrzewania opalane paliwami stałymi (72%), a takĪe
gazem (12%).
3. W najbliĪszych latach zwiĊkszy siĊ udział gazu przewodowego w bilansie paliw
wykorzystywanych do ogrzewania budynków, co naleĪy braü pod uwagĊ przy planowaniu rozwoju sieci gazowej na obszarach wiejskich. ZwiĊkszy siĊ równieĪ wykorzystanie
drewna opałowego, a takĪe słomy jako paliwa alternatywnego dla wĊgla.
4. Wyznaczony w pracy model wskaĨnika zapotrzebowania na energiĊ do celów
grzewczych nadaje siĊ do praktycznego wykorzystania przy planowaniu zapotrzebowania na ciepło w przypadku, gdy samorządy terytorialne nie dysponują bardziej szczegółowymi opracowaniami, poniewaĪ dane dotyczące liczby i roku budowy budynków
mieszkalnych zamieszczane są zazwyczaj w zestawieniach statystycznych gmin.
PIĝMIENNICTWO
Augusiak A., Buüko P., 2000. Audyt energetyczny w procesie planowania zaopatrzenia w energiĊ
w mieĞcie i gminie. Mat. Konf. „Planowanie energetyczne w mieĞcie i gminie w aspekcie
zrównowaĪonego rozwoju”, PoznaĔ.
Cherubin W., 1997. Rola gmin i planowanie zaopatrzenia w ciepło w Ğwietle ustawy Prawo Energetyczne. Mat. Konf. „Racjonalizacja uĪytkowania energii i Ğrodowiska”, t. 2, OĞrodek doskonalenia kadr kierowniczych RS NOT, GdaĔsk, 15–17 paĨdziernika.
Robakiewicz A., 1998. Jak zmniejszyü koszt ogrzewania budynków. Biblioteka Fundacji Poszanowania Energii. Warszawa.
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Acta Sci. Pol.
Techniczna i gospodarcza analiza oraz prognozowanie nakładów energetycznych...
75
Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne (Dz.U. z 1997 r. nr 54) wraz z póĨniejszymi zamianami.
Ustawa z dnia 8 marca 1990 r. o samorządzie terytorialnym (Tekst jednolity: Dz.U. z 1996 r.
nr 13, poz. 74, zmiany: Dz.U. z 1996 r. nr 58, poz. 261, nr 106, poz. 596, nr 132, poz. 662;
z 1997 r. nr 9, poz. 43).
TECHNICAL AND ECONOMIC STUDY WITH PREDICTION OF ENERGY
CONSUMPTION FOR HEATING OF RESIDENTIAL BUILDINGS IN RURAL
AREAS
Abstract. The analysis of fuel and energy consumption for heating of residential buildings were presented in this paper. Especially indexes of seasonal heating demand in the
investigated objects and theirs correlations with the year of construction or thermomodernisation were calculated out. On the ground of this analysis the model of specific heat
consumption was worked out, in the useful shape for the local government to elaborate
project of assumption for heat. The analysis of the structure of heat sources considering
the sort of fuel and the age of heating installations, as well as the plans of building owners
concerning building thermomodernizations and heating system modernizations were presented.
Key words: energetical planing, heating of residential buildings
Małgorzata Trojanowska, Tomasz Szul, Zakład Energetyki Rolniczej, Akademia Rolnicza w Krakowie, ul. Balicka 104, 30-149 Kraków
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________
Technica Agraria 2(2) 2003