Wybór źródła ciepła i chłodu dla typowego budynku jednorodzinnego o niemal zerowym zużyciu energii (nZEB)

Zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [1] budynek o niemal zerowym zużyciu energii to budynek o bardzo wysokiej charakterystyce energetycznej (określonej w załączniku I), obejmującej obliczoną lub zmierzoną ilość energii potrzebnej do zaspokojenia zapotrzebowania związanego z jego typowym użytkowaniem, wyrażoną poprzez zużycie energii pierwotnej w kWh/m² na rok. Niemal zerowa lub bardzo niska ilość wymaganej energii powinna pochodzić w bardzo dużym stopniu ze źródeł odnawialnych, w tym wytwarzanej na miejscu lub w pobliżu, oraz wynikać z zastosowania wydajnych rozwiązań instalacyjno-konstrukcyjnych.

Określono tym samym minimalny standard nowo wznoszonych budynków, który ma w pełni obowiązywać od 1 stycznia 2019 roku dla obiektów zajmowanych przez władze publiczne i będące ich własnością, a od 1 stycznia 2021 roku dla wszystkich obiektów nowo budowanych [2].

Definicja ta nie precyzuje, czy projektowany obiekt powinien być samowystarczalny energetycznie, co oznacza, że dopuszczone jest bilansowanie energii produkowanej na miejscu i wyeksportowanej do sieci oraz dostarczanej z sieci, co jest zgodne z zapisami zamieszczonymi w normach [3 i 4].

Charakterystyka typowego budynku jednorodzinnego o prawie zerowym zużyciu energii

Jako typowy budynek jednorodzinny, szczegółowo opisany pod względem architektoniczno-konstrukcyjnym i sposobu użytkowania, przyjęto budynek referencyjny NAPE.

Zgodnie z [5] jest to obiekt dwukondygnacyjny niepodpiwniczony o powierzchni użytkowej A_f = 149,8 m², kubaturze V_e = 550,5 m³ oraz współczynniku kształtu A_e/V_e = 0,79 1/m. Użytkowany jest przez czteroosobową rodzinę (dwie osoby dorosłe i dwoje dzieci).

W celu przeprowadzenia analizy przyjęto następujące założenia dodatkowe:

• Zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na cele ogrzewania i wentylacji Eu = 15 kWh/m² rok.
• Długość sezonu grzewczego wynosi 2500 h.
• Budynek jest wyposażony w wentylację mechaniczną nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła o nominalnym przepływie V_N/V_W = 260 m³/h pracującą w trybie ciągłym.
• Ogrzewanie wodne centralne odbywa się za pomocą instalacji płaszczyznowych.
• Chłodzenie – w zależności od wariantu, za pomocą dostarczanego powietrza wentylacyjnego i/lub z wykorzystaniem instalacji płaszczyznowych.
• Pompa obiegowa instalacji płaszczyznowej pracuje przez cały rok: 8760 h.

Obliczenia przeprowadzono w autorskim arkuszu kalkulacyjnym (w MS Excel) zgodnie z rozporządzeniem w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej [6].

Roczne zapotrzebowanie na ciepło dla budynku

Zgodnie z założeniem obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na cele ogrzewania i wentylacji Eu (tab. 1) przyjęto jako 15 kWh/m² rok.

Tabela 1. Roczne zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na cele ogrzewania i wentylacji

Obliczenia rocznego zapotrzebowania na ciepło użytkowe na cele przygotowania ciepłej wody użytkowej zgodnie z [6] przedstawiono w tab. 2.

Tabela 2. Roczne zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na cele przygotowania ciepłej wody użytkowej

Uwaga
W celu przeanalizowania wariantów opartych na wykorzystaniu pompy ciepła c.w.u. rozbito zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na cele przygotowania c.w.u. na dwa okresy:

a) sezon zimowy, tj. 2004 h – zapotrzebowanie na c.w.u. Q_w,nd = 825,45 kWh/rok (22,9%),

b) poza sezonem zimowym, tj. 6756 h – zapotrzebowanie na c.w.u. Q_w,nd = 2782,82 kWh/rok (77,1%).

Za sezon zimowy uznano okres, kiedy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa od 1°C.
Ilość ciepła pozyskanego przez próżniowe kolektory słoneczne wynosi Q_w,nd = 1515,47 kWh/rok (42%).

Warianty źródeł ciepła oraz chłodu

W analizie uwzględniono dziesięć wariantów źródeł ciepła z możliwością schładzania budynku w okresie letnim i zestawiono je w tab. 3.

Tabela 3. Warianty źródeł ciepła z możliwością schładzania budynku w okresie letnim

W dalszych obliczeniach w celu ochrony przed szronieniem wymiennika ciepła zlokalizowanego w centrali wentylacyjnej (rekuperatora) uwzględnia się podgrzew czerpanego świeżego powietrza do dodatniej wartości temperaturowej w okresie zimy.

Podgrzew można uzyskać za pomocą nagrzewnicy wstępnej elektrycznej (warianty 3, 4 i 9) lub z wykorzystaniem gruntowego wymiennika ciepła, np.:

• GGWC – gruntowego glikolowego wymiennika ciepła wykorzystującego odwierty lub poziomy wymiennik ciepła od pompy ciepła (warianty 6 i 7),
• GPWC – gruntowego powietrznego wymiennika ciepła (warianty 1, 2, 5 i 8),
• GŻWC – gruntowego żwirowego wymiennika ciepła (wariant 10),

a także za pomocą układu sterowania w centrali wentylacyjnej polegającego na okresowej zmianie proporcji ilości powietrza wywiewanego do nawiewanego (wynoszącej podczas zwyczajnej pracy 1:1), co jest niezalecane w przypadku szczelnych obiektów o prawie zerowym zużyciu energii [7, 8].

Czytaj też: Definicja termomodernizacji a standard NZEB >>>

Z uwagi na specyfikę obecnie wznoszonych budynków o prawie zerowym zużyciu energii (o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię potrzebną do ich ogrzania) oraz znaczne przeszklenia w orientacji południowej (możliwy do osiągnięcia tzw. efekt letniego przegrzania budynku) zaleca się zastosowanie gruntowego wymiennika ciepła lub zapewnienie innej formy chłodzenia budynku w okresie letnim [7, 8].

W przypadku świadomego i systematycznego wykorzystywania zjawiska naturalnego nocnego przewietrzania budynku (otwierane okna) i/lub instalacji wentylacji mechanicznej w trybie przewietrzania w okresie letnim w połączeniu z właściwym zastosowaniem przegród zacieniających użytkownik może zrezygnować z zastosowania gruntowego wymiennika ciepła, jednak w niniejszej analizie proponuje się jego zastosowanie (warianty 1, 2, 5, 6, 7, 8, 10).

GWC pełni funkcję podgrzewu czerpanego powietrza świeżego w okresie zimowym, natomiast latem działa jak prosty układ chłodniczy, schładzając powietrze nawiewane i zapobiegając częściowo procesowi przegrzania budynku.

Inną formą chłodzenia obiektu w okresie letnim może być chłodzenie pasywne z wykorzystaniem dolnego źródła pompy ciepła z gruntowym wymiennikiem pionowym lub poziomym i instalacji ogrzewania płaszczyznowego, tj. płyty grzewczej, stropu aktywowanego termicznie czy instalacji ogrzewania podłogowego (warianty 6 i 7), a także chłodzenie zrzutowe, będące efektem podgrzewu c.w.u. w pompie ciepła c.w.u. z wykorzystaniem powietrza nawiewanego do budynku – rozwiązanie to jest jednak mało efektywne (warianty 3 i 9).

Ostatnią rozpatrywaną formą chłodzenia budynku jest chłodzenie aktywne za pomocą rewersyjnej pompy ciepła typu powietrze/woda (wariant 4).

Zastosowanie gruntowego wymiennika ciepła oraz chłodzenia pasywnego z wykorzystaniem instalacji płaszczyznowej i dolnego źródła ciepła gruntowej pompy ciepła zwiększa znacząco komfort użytkowy i termiczny panujący w środowisku wewnętrznym podczas okresu letniego. Należy mieć jednak na uwadze, że wyżej wymienione układy nie działają jak typowa klimatyzacja, tylko jak proste układy chłodnicze.

Dla wariantu nr 4 założono zapotrzebowanie na użytkowy chłód aktywny na poziomie Q_c,nd = 1500 kWh/rok.

[warunki techniczne, przepisy, efektywność energetyczna, energia, budynek zeroenergetyczny, roczne zapotrzebowanie na ciepło]