Patronat:
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.
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].
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]
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.
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.
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).
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).
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.
Znajdź fachową pomoc
