Modelowanie energetyczne jako narzędzie wspierające osiągnięcie neutralności klimatycznej budynków

Wiele wskazuje na to, że w niedalekiej przyszłości możemy spodziewać się zmian w regulacjach prawnych dotyczących sposobów obliczeń zużycia energii w nowo powstających budynkach. Tradycyjne kalkulacje i świadectwa charakterystyki energetycznej mogą bowiem zostać zastąpione przez modelowanie energetyczne, czyli precyzyjną symulację cechującą się dużo większą precyzją pomiaru i efektywnością pod względem realności oczekiwanych efektów, tak jak to ma miejsce w krajach zachodnich.

Kalkulacje i świadectwa

Proces obliczania rzeczywistego zużycia energii w budynkach jest bardzo złożony, ponieważ ma na niego wpływ wiele zmiennych czynników - temperatura zewnętrzna i wewnętrzna, sposób użytkowania samego budynku i urządzeń w nim się znajdujących. Dokonywanie obliczeń wykorzystujących tradycyjne arkusze kalkulacyjne lub metodologię świadectw charakterystyki energetycznej są wprawdzie rozwiązaniami najszybszymi, ale jednocześnie – mało precyzyjnymi, ponieważ zużycie obliczone w ten sposób może bardzo różnić się od realnego, gdyż wspomniane metodologie nie biorą pod uwagę całkowitej energii zużywanej w budynku.

Kolejną wadą tych rozwiązań jest fakt, że nie pozwalają one z dostateczną dokładnością obliczyć tego, jaką ilość energii będziemy mogli zaoszczędzić poprzez np. wdrożenie inwestycji poprawiających efektywność energetyczną, a przecież inwestując znaczne kwoty w procesy modernizacyjne, warto wiedzieć, jaki wpływ będą one miały na realne oszczędności.

Modelowanie jest rozwiązaniem, które pomaga w podejmowaniu kluczowych decyzji odnośnie inwestycji. Każdy, kto chce z góry wiedzieć, jak planowane rozwiązania wpłyną na koszty funkcjonowania budynku, poziom emisji i poziom certyfikacji ekologicznych oraz efekty w postaci polityki ESG, powinien przemyśleć zastosowanie modelowania. Bez niego planowanie jest znacznie bardziej hipotetyczne i poniesione nakłady wcale nie muszą przynieść zakładanych efektów.

Jednym z kluczowych kroków na drodze do neutralności klimatycznej budynku jest jego dekarbonizacja. Emisyjne źródła energii można zastąpić źródłami, które mogą być w całości zdekarbonizowane. Takim źródłem jest prąd, który obecnie wpływa na środowisko bardziej niekorzystnie niż gaz, ale wyprodukowany lokalnie poprzez instalację fotowoltaiczną może być uznany za zieloną energię. Przewiduje się, że w przyszłości, gdy Polska przestanie wykorzystywać węgiel, źródło to będzie znacznie bardziej zielone niż gaz.

Od audytu do rekomendacji

Dekarbonizacja to szereg kroków, które należy rozpocząć od analizy zużycia energii w budynku i jego kompleksowego audytu. Wiedza w ten sposób pozyskana pozwala nam na określenie rekomendacji, które są tylko pomysłem, więc w kolejnym kroku należy wykonać stosowne obliczenia, aby dowiedzieć się, jaką skalę może mieć ich wdrożenie i z jakim kosztem się to wiąże. Wyliczenia niepoparte symulacją mogą być subiektywne, a poprzez ich nieprecyzyjność mogą prowadzić do błędnych decyzji inwestycyjnych. Rekomendacje zawierają nie tylko działania generujące koszty dla inwestorów, ale także te bezkosztowe, które można łatwo i szybko wdrożyć i w efekcie szybko uzyskać oszczędności. W pierwszej kolejności powinno się obniżyć zapotrzebowanie na energię w budynku, a dopiero pozostałą część energii wyprodukować na miejscu lub zoffsetować, czyli nabyć zieloną energię od dostawcy lub zakupić tzw. offsety, jeśli jej produkcja nie jest możliwa. Celem tym działań jest redukcja stężenia CO2 w atmosferze.

Model energetyczny

Zasadniczą zaletą modelowania energetycznego jest jego precyzja. Sam model, rozumiany jako narzędzie, nie powoduje oszczędności ani usprawnień w budynku. Proces modelowania energetycznego rozpoczyna się od cyfrowego odwzorowania rzeczywistego budynku w 3D. Następnie uwzględnia się materiały, z jakich został wykonany, konstrukcję ścian oraz przegród. Kolejnym krokiem jest wprowadzenie do modelu wszelkich systemów energochłonnych znajdujących się w budynku – systemów klimatyzacyjnych, wentylacyjnych, grzewczych, oświetleniowych wraz z określeniem harmonogramu ich pracy godzina po godzinie. Przykładem może tu być obiekt halowy, w którym praca odbywa się w systemie dwuzmianowym, więc większość urządzeń pracuje 16 godzin na dobę, a w danym czasie mogą one pracować ze zmienną wydajnością, co również jest uwzględniane.

Ostatnim etapem modelowania jest uwzględnienie pliku pogodowego, zawierającego dane meteorologiczne (temperaturę powietrza, prędkość wiatru, nasłonecznienie) z dokładnością co do godziny. Na ich podstawie analizowana jest odpowiedź systemów na warunki zewnętrzne, niezbędna do tego, aby utrzymać określone warunki we wnętrzu budynku np. odpowiednią temperaturę. W ten sposób powstaje kompletna symulacja, dzięki której można precyzyjnie odwzorować realne zużycie energii w obiekcie i tak zaprogramować systemy, aby jak najbardziej efektywnie spełniały swoje funkcje, a przez to umożliwić prognozowanie przyszłych kosztów mediów w budynku. W przypadku budynków już istniejących, ostatnim etapem jest kalibracja modelu. Proces ten polega dostosowaniu jego parametrów i odwzorowaniu zachodzących w budynku zjawisk w taki sposób, aby wynik symulacji był zbieżny z rzeczywistymi historycznymi zużyciami. W celu założenia poprawnych parametrów w modelu warto jest wykonać pomiary parametrów fizycznych systemów HVAC w istniejącym obiekcie.

Certyfikacje i oszczędności

Obecnie w ramach polskiego prawa nie ma obowiązku stosowania modelu energetycznego, aczkolwiek często stosowany jest pomocniczo lub w celu uzyskania różnych certyfikacji np. BREEAM czy LEED. W wypadku tego pierwszego, wykorzystanie modelu może się przyczynić do uzyskania większej liczby punktów certyfikacji, w przypadku LEED – wykonanie modelu jest konieczne, aby w ogóle móc się starać o certyfikację na dobrym poziomie. Dla dużych biur projektowych z krajów zachodnich wykorzystanie modelu energetycznego już we wstępnych fazach projektu jest standardem. Projektant, decydując się na implementację danego systemu, natychmiast otrzymuje informację zwrotną o ilości zużycia energii, dzięki czemu cały proces decyzyjny jest bardziej świadomy, ponieważ bazuje na precyzyjnym wyniku pomiaru dokonanego w formie cyfrowej symulacji.

Obecnie otrzymujemy coraz więcej zapytań o modelowanie energetyczne, zarówno w przypadku budynków już istniejących, jak i tych dopiero projektowanych. Przykładem może być sytuacja, kiedy inwestor na etapie projektu zastanawia nad wyborem konkretnego systemu np. HVAC. Modelowanie pozwala mu na wgląd w faktyczne zużycie energii każdego z nich i wybranie tego, który w przypadku projektowanej inwestycji będzie najefektywniejszy i najbardziej ekonomiczny. W przypadku budynków już istniejących, często wykonujemy usługę Net Zero, w ramach której wykonujemy model, kalibrujemy go do faktycznych poziomów zużycia i sprawdzamy, jakie oszczędności może wygenerować np. zastosowanie konkretnego systemu wentylacyjnego. Cały proces odwzorowywania dokładnego zużycia w modelu jest wprawdzie czasochłonny, jednak widać wyraźnie, że zapotrzebowanie na tę usługę jest coraz większe, ponieważ inwestorzy wymagają rzetelnych i precyzyjnych danych.