Maksymalne wykorzystanie energii w domu

Koszty utrzymania domu jednorodzinnego to w dużej mierze koszty związane z jego ogrzewaniem i zużyciem prądu. Coraz większe znaczenie ma również chłodzenia budynku w lecie. W nowoczesnym domu koszty chłodzenia mogą przewyższać koszty jego ogrzewania. Dlatego warto pozyskiwać energię jak najtaniej i ograniczać do maksimum jej ucieczkę na zewnątrz budynku. Co stanowi istotny dla kraju sposób spełnienia celów klimatycznych przyjętych na szczeblu międzynarodowym.

Budownictwo energooszczędne oraz racjonalne wykorzystanie energii są głównymi kierunkami państwa do zmniejszenia zapotrzebowania na konwencjonalne paliwa kopalne i ochronę klimatu. Powinny być również istotne dla inwestorów, bo znacznie wpływają na koszty eksploatacji budynku.

Maksymalne wykorzystanie energii w domu

Warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki, pod względem zapotrzebowania na energię, są coraz bardziej wymagające. W 2014 r. ustawodawca określił zapotrzebowanie budynków na energię pierwotną (EP), które nie powinno przekraczać 120 kWh/m2 w ciągu roku – stan nadal obowiązujący. W 2017 r. wskaźnik EP nie będzie mógł przekraczać 95 kWh/m2 na rok. A cztery lata później, czyli w 2021 r., domy na potrzeby ogrzewania i wentylacji nie powinny potrzebować więcej niż 70 kWh/m2 na rok [1].

Dom energooszczędny

Zobaczmy, jak obecne i nowe warunki techniczne wpłyną na przykładowy dom jednorodzinny o powierzchni ogrzewanej 164 m2, znajdującego się we Wrocławiu [2].

Dom o wysokiej  izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych, o prostej bryle i dużych przeszkleniach. Podstawowe dane budynku – strumień powietrza wentylacyjnego: 250 m3/h; współczynnik przenikania ciepła U przegród zewnętrznych: 0,13 W/(m2∙K), U okien: 1,0 W/(m2∙K); zużycie c.w.u. o temperaturze 55°C: 230 l/dobę. W analizie uwzględniono ogrzewanie domu i wody użytkowej za pomocą kotła gazowego kondensacyjnego, pompy ciepła powietrze-woda, pompy solanka-woda i kotła na biomasę.

W rozpatrywanym domu przewidziano zastosowanie wentylacji grawitacyjnej lub mechanicznej z odzyskiem ciepła. Warto zwrócić przy tym uwagę, że rodzaj centrali i sposób jej pracy może w niektórych wariantach instalacji znacznie zwiększyć zapotrzebowanie na energię pierwotną EP. Związane jest to ze sprawnością urządzeń i instalacji, ale również z zapotrzebowaniem na elektryczną energię pomocniczą dla ogrzewania c.o., c.w.u. i wentylacji. W przypadku wentylacji elektryczna energia pomocnicza potrzebna jest do zasilania wentylatorów, nagrzewnicy wstępnej i/lub wtórnej, do zabezpieczenia przed oszronieniem wymiennika odzysku ciepła.  

Rys. 1. Wskaźnik EP dla analizowanego budynku, przy różnych rozwiązaniach systemu grzewczego i z: 1) wentylacją grawitacyjną, 2) wentylacją mechaniczną z odzyskiem ciepła [Źródło: Wykres EP rys 3 – RI 1-2.2016]

 

 

Rys. 1. Wskaźnik EP dla analizowanego budynku, przy różnych rozwiązaniach systemu grzewczego i z: 1) wentylacją grawitacyjną, 2) wentylacją mechaniczną z odzyskiem ciepła [Źródło: Wykres EP rys. 3 – RI 1-2.2016]

 

 

Mimo że przykładowy dom jest „ciepły”, to wyposażony w wentylację grawitacyjną i gazowy kocioł kondensacyjny nie spełnia obecnie obowiązujących przepisów WT 2014 (EP < 120 kWh/(m2∙rok). Nie spełnia również wymogów WT 2017, jeśli wentylację grawitacyjną zastąpimy mechaniczną z odzyskiem ciepła (EP < 95 kWh/(m2∙rok)).

Niemal w każdym wariancie instalacji, doskonałym uzupełnieniem może być zastosowanie instalacji fotowoltaicznej [3]. Powoduje znaczne obniżenie wskaźnika nieodnawialnej energii pierwotnej EP do wartości wymaganych przez WT 2021 (rys. 2). 

Rys. 2. Wskaźnik EP dla analizowanego budynku, przy różnych rozwiązaniach systemu grzewczego i z wentylacją mechaniczną z odzyskiem ciepła, z instalacją fotowoltaiczną o mocy 3 kWp i rozliczaniem w systemie net-metering.

 

 

Rys. 2. Wskaźnik EP dla analizowanego budynku, przy różnych rozwiązaniach systemu grzewczego i z wentylacją mechaniczną z odzyskiem ciepła, z instalacją fotowoltaiczną o mocy 3 kWp i rozliczaniem w systemie net-metering.

 

Wentylacja z odzyskiem ciepła

Aby skutecznie usuwać wilgoć i zużyte powietrze z pomieszczeń, wentylacja powinna pracować ciągle, również podczas zimnych dni. Wraz ze wzrostem sprawności odzysku ciepła w rekuperatorze wzrasta ryzyko zamarzania wymiennika. W wielu rozwiązaniach działanie systemu ochrony przed zamarzaniem wymiennika może generować wysokie koszty eksploatacji instalacji wentylacji z odzyskiem ciepła.

Patrząc z drugiej strony, mniejsza sprawność odzysku ciepła to niższe temperatury powietrza nawiewanego do pomieszczeń i konieczność jego dogrzewania do wymaganej temperatury. Co w przypadku nagrzewnicy elektrycznej może znacznie wpłynąć na koszty eksploatacji, ale również na wysokość wskaźnika EP budynku.  

Instalacja fotowoltaiczna

Już dzisiaj każdy budynek może być niezależny energetycznie – produkować tyle energii, ile potrzebuje w każdym momencie. Jednak tendencją uzasadnioną ekonomicznie jest dążenie do niezależności energetycznej w określonym przedziale czasu, np. w ciągu roku czy sześciu miesięcy. Przykładowo, instalacja fotowoltaiczna powinna w tym czasie wyprodukować tyle energii elektrycznej, ile zużywają w tym okresie czasu działające w tych budynkach urządzenia techniczne – pompa ciepła i inne odbiorniki prądu. 

Instalacja fotowoltaiczna (PV) produkuje energię elektryczną bezpośrednio z promieniowania słonecznego. A najwięcej jej mamy do dyspozycji w ciepłych miesiącach roku. Nie pokrywa się to z zapotrzebowaniem na energię budynku, zwłaszcza wykorzystywaną do jego ogrzewania. Można sobie z tym częściowo poradzić, magazynując prąd słoneczny w akumulatorach, w postaci ciepłej wody w zasobniku i wykorzystywać w późniejszym czasie. Jednak najłatwiejszym sposobem magazynowania będzie odprowadzanie nadwyżek prądu słonecznego do publicznej sieci energetycznej w okresie letnim i odebranie go w miesiącach zimowych. Sprzyja temu system rozliczania energii net-metering, który polega na bilansowaniu półrocznym energii elektrycznej wyprodukowanej i wprowadzonej do sieci energetycznej, z ilością energii elektrycznej pobranej z sieci.

Sieć energetyczna pełni rolę magazynu, do którego odprowadzamy niewykorzystany prąd słoneczny i z który  później możemy go odebrać – bezpłatnie. Jednak trzeba zapłacić za przechowywanie naszego prądu w magazynie, czyli operatorowi sieci dystrybucyjnej. Aby jak najwięcej zarabiać na energii słonecznej, najlepszym rozwiązaniem jest maksymalne wykorzystanie prądu słonecznego na własne potrzeby, czyli maksymalne jego wykorzystanie w momencie, kiedy jest produkowany. Wówczas prąd nic nas nie kosztuje i unikamy opłat przesyłowych (magazynu).

Kompletny system energetyczny

W typowych rozwiązaniach każdy system pracuje niezależnie. Instalacja PV produkuje prąd, pompa ciepła załącza się wtedy, kiedy potrzebuje, wentylacja z odzyskiem ciepła pracuje niezależnie. Oczywiście, tutaj również pompa ciepła i rekuperator korzystają z prądu słonecznego, ale w sposób wynikający z algorytmu ich normalnej pracy.

Najbardziej zaawansowane rozwiązania pozwalają na aktywną współpracę poszczególnych instalacji, tak aby maksymalnie wykorzystywać darmowy prąd słoneczny na własne potrzeby. W rozwiązaniach tych instalacja PV produkuje prąd, który wykorzystują domowe odbiorniki energii elektrycznej, np. urządzenia RTV i AGD, oświetlenie. Jeśli w danej chwili instalacja PV produkuje więcej prądu niż wykorzystują domowe odbiorniki, zanim zostanie odprowadzony do sieci energetycznej, może zostać wykorzystany przez pompę ciepła i system wentylacji.

Za pomocą dodatkowego licznika energii elektrycznej regulator pompy ciepła „wie” dokładnie, ile w danej chwili prądu słonecznego ma do dyspozycji. Może załączyć pompę ciepła na potrzeby ogrzewania lub chłodzenia domu, czy przygotowania c.w.u.. Jeśli w instalacji znajduje się zasobnik buforowy wody grzewczej, może załączyć pompę ciepła, która zasilana darmowym prądem może ładować zasobnik. Zgromadzony w ten sposób zapas ciepła zostanie wykorzystany do ogrzewania w późniejszym czasie – kiedy instalacja PV już nie pracuje, np. w nocy.    

W rozwiązaniu tym rekuperator zasilany i sterowany jest przez regulator pompy ciepła. W ten sposób może również aktywnie wykorzystywać prąd słoneczny. Co więcej, system sterowania uczy się sposobu eksploatacji budynku i przyzwyczajeń domowników. W ten sposób przewiduje kiedy i w jakich godzinach może wystąpić zapotrzebowanie na energię. Odpowiednio wcześniej może zareagować w jeszcze większym stopniu wykorzystując darmowy prąd słoneczny.   

A co z dogrzewaniem powietrza nawiewanego do pomieszczeń w zimie? Rekuperator można wyposażyć w układ hydrauliczny, za pomocą którego pompa ciepła może dogrzewać powietrze nawiewane do odpowiedniej temperatury. Czyli znacznie taniej niż standardową grzałką elektryczną.

Rys. 3. Ideowy schemat instalacji PV z optymalizacją wykorzystania prądu słonecznego przez pompę ciepła (źródło:  Viessmann).

 

Rys. 3. Ideowy schemat instalacji PV z optymalizacją wykorzystania prądu słonecznego przez pompę ciepła (źródło:  Viessmann).

 

 

 

Nowe warunki techniczne wymagają bardziej kompleksowego podejścia do budynku i zastosowanych w nim rozwiązań. Już na etapie projektowania powinno się wykonać dokładną analizę energetyczną i ekonomiczną wybranych systemów. Największy potencjał oferują pompy ciepła, które w połączeniu z instalacjami produkującymi energię elektryczną dają szansę na całkowite uniezależnienie się od zewnętrznych dostawców energii.

 

[1] Rozporządzenie z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie Dz.U. z 2013 poz. 926.

[2] – Wpływ konfiguracji centrali wentylacyjnej i źródła ciepła na wskaźniki EU i EP domu jednorodzinnego; dr inż. Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa, dr inż. Maria Kostka; Rynek Instalacyjny styczeń/luty 2016.

[3] Konfiguracja centrali wentylacyjnej i źródła ciepła a koszty eksploatacji systemu grzewczo-wentylacyjnego domu jednorodzinnego; dr inż. Maria Kostka, dr inż. Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa; Rynek Instalacyjny marzec 2016.

 

 


Zobacz nas Facebook Facebook Google + Google +Twitter Twitter