Streszczenie: Zefir dla Domu to webowe narzędzie wspierające podejmowanie decyzji w zakresie modernizacji energetycznej budynków. System umożliwia analizę wariantów technologicznych z uwzględnieniem kosztów oraz uwarunkowań lokalnych takich jak temperatura czy potencjał PV. Opracowany model optymalizacyjny pozwala użytkownikowi znaleźć najbardziej efektywną ścieżkę transformacji energetycznej dla konkretnego obiektu. Narzędzie jest bezpłatnie dostępne pod adresem: https://dom.zefir.app/

Wstęp

Transformacja energetyczna budynków jednorodzinnych to istotny element krajowych i unijnych strategii energetycznych [1], [2]. Właściciele domów stają dziś przed wyzwaniem wyboru technologii grzewczych, zakresu termomodernizacji oraz sposobu finansowania inwestycji.
Z myślą o wsparciu tych decyzji powstało narzędzie „Zefir dla Domu" (https://dom.zefir.app/) – aplikacja webowa umożliwiająca analizę i optymalizację indywidualnych ścieżek transformacji energetycznej w skali pojedynczego budynku. System integruje dane o budynku, lokalnych warunkach i dostępnych technologiach, wspierając użytkownika w wyborze racjonalnego wariantu modernizacji. 
Aplikacja stanowi część szerszego pakietu narzędzi opracowanego przez Narodowe Centrum Badań Jądrowych, a obecnie rozwijanego przez Narodowe Centrum Analiz Energetycznych, zawierającego rozwiązania dedykowane dla analizy miksu energetycznego na poziomie kraju, miasta, społeczności lokalnej oraz domu.
Pomimo iż, niniejszy artykuł poświęcony jest wyłącznie aplikacji przeznaczonej dla gospodarstw domowych, współpraca i możliwość synchronizacji wyników oraz danych z różnych poziomów są kluczowe z punktu widzenia spójności polityki krajowej (Długoterminowa strategia renowacji budynków, Krajowy Plan na rzecz Energii i Klimatu) oraz europejskiej (realizacja założeń Europejskiego Zielonego Ładu, Dyrektywy EPBD).  

Założenia systemu

System „Zefir dla Domu” powstał jako narzędzie wspierające właścicieli i zarządców budynków jednorodzinnych w planowaniu inwestycji w zakresie transformacji energetycznej ich domów. Kluczowym założeniem systemu jest możliwość wygenerowania realistycznego, dostosowanego do konkretnego budynku scenariusza modernizacji, który uwzględnia lokalne warunki oraz ograniczenia techniczne poszczególnych technologii. 
Kluczowym założeniem systemu jest jego prostota. W porównaniu do innych rozwiązań pozwalających określić parametry techniczne budynku [3], nie jest wymagana specjalistyczna wiedza. Użytkownik prowadzony jest przez każdy etap parametryzacji, a aplikacja stara się podpowiadać poprawne wartości dla uzupełnianych pól. 
Na tle konkurencyjnych rozwiązań [4], [5], system wyróżnia się zaawansowanym modułem optymalizacyjnym, który w przeciwieństwie do innych narzędzi podpowiada optymalne kosztowo rozwiązanie.

Użytkownik wprowadza podstawowe dane dotyczące budynku, jego lokalizacji oraz aktualnego rozwiązania grzewczego. System na bazie ogólnodostępnych baz danych, automatycznie pobiera dane klimatyczne oraz oblicza parametry budynku, takie jak kubatura, przepuszczalność energetyczna jego przegród. Na podstawie przygotowanych parametrów szacuje zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną oraz wyznacza optymalne pod względem kosztowym rozwiązanie. Na Rys. 1 przedstawiono schemat interakcji z aplikacją.

Rys.1. Schemat architektury systemu Zefir dla Domu. Źródło: opracowanie własne

Optymalizacja

Sercem narzędzia jest opracowana w ramach Narodowego Centrum Badań Jądrowych biblioteka pyzefir, która przekształca opis budynku oraz dane wprowadzone przez użytkownika na postać problemu programowania liniowego (LP). Następnie odpowiednio sformułowany problem matematyczny jest rozwiązywany za pomocą solvera HiGHS.

Technika programowania liniowego umożliwia szybkie przeszukanie dużej przestrzeni rozwiązań i znalezienie scenariusza modernizacji, który najlepiej spełnia zadane kryteria techniczne. Dzięki temu użytkownik przy zachowaniu wysokiej przejrzystości modelu i krótkich czasów obliczeń otrzymuje wynik zgodny z ograniczeniami technologicznymi oraz optymalny pod względem kosztowym [6].

Model optymalizacyjny uwzględnia zarówno czynniki ekonomiczne, jak i techniczne, zapewniając realistyczne i dopasowane do użytkownika wyniki. Funkcja celu minimalizuje całkowity koszt systemu energetycznego, biorąc pod uwagę m.in. koszty inwestycyjne, operacyjne, paliw, energii elektrycznej, przychody z odsprzedaży energii w systemie net-billing [7] oraz koszty ciepła z sieci. Jednocześnie model respektuje ograniczenia techniczne, takie jak maksymalne moce zainstalowane wynikające z warunków fizycznych budynku oraz minimalne moce wymuszane przez użytkownika. Pozwala to na odwzorowanie rzeczywistych scenariuszy modernizacji.

Przykładowe wyniki

Narzędzie zaprojektowano tak aby dostarczało pełny komplet analiz oraz statystyk ekonomicznych. Do najważniejszych z nich można zaliczyć przykładowe dane pogodowe, które zostały uwzględnione w obliczeniach, punkty pracy urządzeń w zależności od zapotrzebowania oraz warunków wpływających na ich pracę. Ponadto dostarczany jest dokładny plan inwestycyjny zawierający szczegółowe informacje o kosztach, optymalnych mocach oraz pracach koniecznych do przeprowadzenia w celu pełnej modernizacji budynku. Na Rys. 2 przedstawiono zestawienie rocznych kosztów dla przykładowego budynku o powierzchni około 120 metrów kwadratowych oraz średniej klasie termomodernizacyjnej, z podziałem na rożne scenariusze.

Rys.2. Zestawienie rocznych kosztów w przykładowych wariantach optymalizacji. Źródło: opracowanie własne

W przedstawionym przykładzie scenariusz BASE jest punktem odniesienia odwzorowującym stan obecny i jego koszty. Scenariusz S1 i S2, to odpowiednio zestawienie kosztów dla problemu uwzględniającego termomodernizację oraz termomodernizację wraz z doszczelnieniem. Scenariusz S3 jest to scenariusz bazujący na nowoczesnych rozwiązaniach, jak np. pompa ciepła, magazyn energii, fotowoltaika czy pełna termomodernizacja obiektu. Z zestawienia powyższych wyników wyłaniają się dwie drogi modernizacji. Scenariusz S2, który jest najlepszy kosztowo oraz S3, który za pośrednictwem większych nakładów inwestycyjnych, zapewnia większą niezależność oraz minimalizuje koszty zmienne związane z kupnem energii, czy produkcją ciepła.

Podsumowanie

Narzędzie „Zefir dla Domu" (dostępne pod adresem https://dom.zefir.app/) umożliwia użytkownikowi analizę rożnych ścieżek transformacji energetycznej własnego domu. Wynik narzędzia daje możliwość zapoznania się ze szczegółowymi kosztami oraz sprzyja podjęciu świadomej decyzji inwestycyjnej podpartej danymi.

Artykuł opracowany w wyniku realizacji projektu „Obserwatorium Transformacji Energetycznej jako instrument wspierania społeczno-gospodarczego rozwoju Polski (OTE)” współfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu badań naukowych i prac rozwojowych "Społeczny i gospodarczy rozwój Polski w warunkach globalizujących się rynków" GOSPOSTRATEG. (Umowa nr GOSPOSTRATEG9/ 000D/2022 z dnia 27/06/2023).

Autorzy: mgr Tomasz Chmiel, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail:  Tomasz.Chmiel@pse.pl; dr Maksymilian Grab, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Maksymilian.Grab@pse.pl; mgr inż. Artem Kartashov, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Artem.Kartashov@idea.edu.pl, , mgr Maciej Krakowiak, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Maciej.Krakowiak@pse.pl;  Maciej Mazurek, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Maciej.Mazurek@pse.pl; prof. dr hab. inż. Józef Paska, PSE.S.A., E-mail: Józef.Paska@pse.pl; mgr inż. Karol Pilot, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, E-mail: Karol.Pilot@idea.edu.pl, dr Grzegorz Plewa, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Grzegorz.Plewa@pse.pl; Agnieszka Sobolewska, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: agnieszka.sobolewska@pse.pl; mgr Michał Szymczuk, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Michał.Szymczuk@pse.pl; Sławomir Walkowiak, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Sławomir.Walkowiak@pse.pl; dr inż. Karol Wawrzyniak, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Karol.Wawrzyniak@pse.pl.  

Literatura:
[1] Długoterminowa strategia renowacji budynków. Wspieranie renowacji krajowego zasobu budowlanego. Załącznik do uchwały nr 23/2022 Rady Ministrów z dnia 9 lutego 2022 r. Warszawa 2022.
[2]  Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2024/1275 z dnia 24 kwietnia 2024 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.
[3]  Zhu, D., Hong, T., Yan, D., & Wang, C. (2012). Comparison of building energy modeling programs: Building loads. Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory.
[4] Kalkulator wizualizujący zużycie energii w domu. https://ekodom.edu.pl/
[5] Kalkulator efektywności finansowej inwestycji dla wspólnot mieszkaniowych z modułem kalkulatora dla inwestycji termomodernizacyjnych. https://kalkulator.rewitalizacja.walbrzych.pl/app
[6] Bazaraa, M. S., Jarvis, J. J., & Sherali, H. D. (2010). Linear Programming and Network Flows (4th ed.). Wiley.
[7]  Bystryk A., Chmiel T., Krenz R., Kubalski R., Kupiec B., Ruciński K., Ryszawska B., Tyński A., Krakowska energetyka obywatelska. Możliwości utworzenia społeczności energetycznych w Krakowie (2023), Kraków, https://www.hub.coop/publikacja/krakowska-energetyka-obywatelska/