Dom bez rachunków

Spełnienie wymagań przepisów budowlanych dotyczących oszczędności energii oraz izolacyjności cieplnej domów jednorodzinnych (Dział X Warunków Technicznych), które będą obowiązywać od 2021 roku, wymagać będzie m.in. nieprzekraczania maksymalnej wartości wskaźnika rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną, tj. EP ≤ 70 kWh/(m² rok). Wymaganie to rodzi bardzo daleko idące konsekwencje, gdyż eliminuje zastosowanie niektórych urządzeń grzewczych i wymaga użycia energii odnawialnej. Przepisy są tak skonstruowane, że nowe budynki mają korzystać głównie z odnawialnej energii elektrycznej – czyli w warunkach polskich, gdzie mamy problem z jakością powietrza zewnętrznego i smogiem, z fotowoltaiki i elektrowni wiatrowych. Biomasa jest najbardziej promowana w WT, ale jej spalanie, zwłaszcza na obszarach dotkniętych smogiem, jest problematyczne. 

Obecnie możliwe jest w aspekcie technologicznym i ekonomicznym zbudowanie budynku jednorodzinnego niemal zeroenergetycznego, a nawet plusenergetycznego z wykorzystaniem pomp ciepła częściowo zasilanych energią z własnej instalacji fotowoltaicznej. Układy PV obniżają zapotrzebowanie na nieodnawialną energię końcową do napędu pompy ciepła i urządzeń pomocniczych. Żeby to osiągnąć, ważne jest przestrzeganie szeregu zasad w procesie inwestycyjnym, szczególnie na etapie projektowania. Najważniejsze z nich zostały przedstawione poniżej na podstawie materiałów opublikowanych w poradniku „Dom bez rachunków”. Poradnik ten został tak przygotowany, żeby mógł się stać praktycznym materiałem zarówno dla inwestorów indywidualnych, jak i architektów oraz projektantów – jeśli czytelnik chce poszerzyć wiedzę i przeprowadzić obliczenia, może sięgnąć głębiej, nawet do arkuszy obliczeniowych i programów. 

„Dom bez rachunków”

To budynek plusenergetyczny – co oznacza, że ilość energii z instalacji PV wyprodukowana w ciągu roku jest większa, niż on sam potrzebuje do zasilania urządzeń elektrycznych, oświetlenia, c.o., c.w.u. i chłodzenia. Budynek ma zużywać energię na potrzeby własne, a dla pokrycia deficytu w sezonie grzewczym „magazynować” w systemie energetycznym nadwyżki spoza tego sezonu i rozliczać się za pobraną energię w systemie opustów. Taki model pozwala obniżyć miesięczne koszty ogrzewania, ciepłej wody, chłodzenia i prądu do 20 zł i mniej. W tym celu trzeba jednak spełnić wiele warunków, zarówno wymaganych przez WT 2021, jak i dodatkowych.

Lokalizacja i budynek 

Budynek wymaga odpowiedniego wyboru działki i lokalizacji. Bardzo ważna jest kwestia zacienienia – czy obok domu nie ma wysokich drzew oraz budynków, kominów, masztów itd. 

Bryła budynku powinna być zwarta i prosta, najlepiej na planie prostokąta, z dłuższym bokiem zwróconym w stronę południową. W celu wyeliminowania mostków cieplnych nie budujemy balkonów i tarasów jako stałych elementów budynku, czyli przedłużenia konstrukcyjnego stropu. Budynek powinien pasywnie wykorzystywać energię słoneczną i dlatego łazienka, spiżarnia, garderoba, pralnia, schody, korytarze, garaż itd. powinny zostać ulokowane od strony północnej. Przegrody oraz otwory okienne i drzwiowe muszą mieć wysoką szczelność powietrzną. Wymiana powietrza przez infiltrację przeprowadzana w teście nadciśnienia 50 Pa musi być mniejsza niż 0,6 wymiany powietrza budynku na godzinę. Także izolacja termiczna powinna spełniać standardy izolacyjne budynków NF 40 lub takie jak dla budynków pasywnych, czyli wyższe, niż wymagają WT 2021. Współczynnik przenikania ciepła U dla przegród budowlanych nie powinien przekraczać 0,12–0,15 W/(m² K). Dla okien współczynnik U (szyb i ram) nie powinien przekraczać 0,80 W/(m² K), przy czym całkowity współczynnik przepuszczalności promieniowania g okien nie powinien przekraczać wartości 50%.

Kolejny wymóg to zastosowanie rozwiązań umożliwiających osiągnięcie standardu smart – czyli systemu sterowania wentylacją, ogrzewaniem i chłodzeniem oraz ogólnie zużyciem energii elektrycznej, także w ramach przyszłych inteligentnych sieci energetycznych. 

Dach i instalacja PV

Budowa instalacji PV wymaga prostej konstrukcji dachu – czyli dwuspadowego, jednospadowego lub płaskiego. Co więcej, oszczędności związane z kosztami wykonania prostej konstrukcji dachu oraz zastosowanie tańszych pokryć dachowych (łatwiej zamontować na nich instalację PV) pozwalają w pełni lub częściowo pokryć koszty instalacji fotowoltaicznej. Wykonanie dachu dwuspadowego o powierzchni 150 m² zamiast czterospadowego może obniżyć koszty budowy o blisko 20 tys. zł, co odpowiada kosztom instalacji PV o mocy 4–4,5 kWp lub pozwala zwiększyć moc tej instalacji o 5 kWp, np. z 3 do 8 kWp. 

Moduły PV pracują najefektywniej, gdy są zainstalowane na połaci dachu skierowanej na południe, najlepiej pod kątem 20–45°. Jeżeli odchylenie od południa nie jest duże, do 45°, uzyskamy od 5 do 10% mniej energii. Natomiast gdy wykorzystamy połać wschodnią lub zachodnią, otrzymamy o 15–20% mniej energii niż w rozwiązaniu optymalnym. 

Pomimo niższego rocznego wskaźnika produkcji energii dachy o orientacji wschodniej lub zachodniej mają tę zaletę, że energia słoneczna jest dostępna wcześnie rano lub wieczorem, kiedy zapotrzebowanie energetyczne może być wyższe. Ponadto w przypadku dachów dwuspadowych o orientacji wschód-zachód obie części dachu mogą być zabudowane instalacją.

Z dachem związana jest też kwestia prawidłowego określenia rocznego zużycia energii elektrycznej w budynku – czyli optymalnej liczby modułów. To z kolei da informację, jaka powierzchnia dachu jest potrzebna pod moduły i jakie powinien on wytrzymać obciążenie. Przeciętna wymagana przestrzeń montażowa pod 1 kWp instalacji to 5,5–6 m², z uwzględnieniem koniecznych przestrzeni instalacyjnych między modułami. Jeden moduł waży ok. 20 kg, czyli instalacja o mocy 5 kWp to ok. 400 kg. Zatem stosując lekkie pokrycie dachu, nie trzeba wzmacniać jego typowej konstrukcji. Ponadto dachówki i gonty bitumiczne oraz blachy rąbkowe i trapezowe ułatwiają montaż instalacji PV. Ważne jest też zapewnienie odległości 0,5–1 m modułów PV od instalacji odgromowej lub zastosowanie odpowiedniego poziomu ochrony przepięciowej. Trzeba również na etapie projektu przewidzieć miejsce na falownik – blisko instalacji PV i głównej rozdzielni elektrycznej. Najkorzystniej skonsultować powyższe kwestie z firmą wykonawczą na etapie projektu.

Jaka moc z nami? 

Przy projektowaniu instalacji PV dla „domu bez rachunków” ważne jest określenie wskaźnika autokonsumpcji (samowystarczalności wyprodukowanej energii). Im bliższy będzie on wartości 100%, tym inwestycja jest bardziej opłacalna. Na wielkość produkcji energii z instalacji fotowoltaicznej mają wpływ takie czynniki, jak lokalizacja instalacji i opcje dopasowania oraz rozmiar systemu fotowoltaicznego (generator). Z kolei o wielkości zapotrzebowania na energię będą decydować: roczne zużycie energii elektrycznej w gospodarstwie domowym (m.in. AGD, RTV, oświetlenie), zapotrzebowanie grzewcze budynku (przyjęto standard NF 40), zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową (liczba osób), styl życia mieszkańców (czas ogrzewania, obciążenia szczytowe, pobór c.w.u.), zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła (przyjęto pompę typu powietrze/woda) z instalacją ogrzewania podłogowego.

W poradniku podana została ścieżka dokładnych obliczeń mocy nominalnej instalacji PV oraz dobór uproszczony. Ten drugi mówi, że dla instalacji fotowoltaicznych o mocach mniejszych niż 10 kWp, które będą działać w systemie opustu, na każde rocznie zużyte w budynku 1000 kWh energii elektrycznej należy dobrać ok. 1,25 kWp mocy instalacji (rys. 1). Im wyższy standard energetyczny budynku (mniejsze zapotrzebowanie na energię), tym mniejsze zapotrzebowanie na moc instalacji PV (patrz rys. 2). 

System bilansowania rocznego

System opustu to bezgotówkowe rozliczenia energii elektrycznej wyprodukowanej przez prosumentów w budynku i pobranej z sieci. Prosumentem może być osoba fizyczna lub prawna nieprowadząca działalności gospodarczej (ma to objąć także firmy) oraz jednostki samorządu terytorialnego, wspólnoty mieszkaniowe czy związki wyznaniowe. 

Formalności związane z wykonaniem instalacji PV sprowadzają się do jej zgłoszenia w lokalnym zakładzie energetycznym oraz podpisania z dystrybutorem energii aneksu do umowy kompleksowej. Bezgotówkowe rozliczenie ilości energii w ramach systemu opustu odbywa się w okresie rocznym. Po roku niewykorzystany nadmiar energii elektrycznej „przepada” i dlatego moc instalacji PV powinna zostać optymalnie dobrana do przewidywanego zużycia, gdyż w innym wypadku nadmiarową energię będziemy oddawać za darmo. Rachunki za energię elektryczną (np. opłaty stałe) mogą być rozliczane tak jak przed montażem instalacji PV. Po roku sprzedawca energii zobowiązany jest do wykonania rozliczenia energii wprowadzonej do sieci przez prosumenta oraz pobranej z sieci. Dla instalacji o mocy do 10 kWp za 1 kWh oddany do sieci prosument może odebrać 0,8 kWh. Czyli gdy prosument pobiera energię z sieci, traci minimum 20% energii wprowadzonej przez siebie do sieci. Bieżące zużycie energii elektrycznej wytwarzanej w instalacji PV w domu jednorodzinnym sięga zaledwie 10–20%. Aby zużyć jej więcej, trzeba zastosować pompy ciepła do ogrzewania i c.w.u. – wówczas zużyjemy 20–35%, a przy wykorzystaniu funkcji chłodzenia – nawet do 40%.

Rzeczywisty współczynnik opustu uwzględniający autokonsumpcję energii elektrycznej wynosi odpowiednio: 82% przy konsumpcji własnej 10%, 84% przy konsumpcji własnej 20% i 88% przy konsumpcji własnej 40%.

Pompy ciepła

Oprócz instalacji PV warunkiem koniecznym jest też wykorzystanie pompy ciepła, która zapewnia ogrzewanie, przygotowanie c.w.u. i chłodzenie budynku – z efektywnością energetyczną od trzech do pięciu razy większą niż ogrzewanie elektryczne czy elektryczne podgrzewanie c.w.u. Pompa ta zużywa bezpośrednio z instalacji PV tylko 20–30% wyprodukowanej energii, a pozostałą część energii „odbiera” z nadwyżki oddanej wcześniej do sieci. Zastosowanie pompy ciepła, która zajmuje na podłodze ok. 0,5 m², nie wymaga w budynku budowy komina, kotłowni czy magazynu opału. Daje to także oszczędności inwestycyjne, które przeznacza się na efektywniejsze rozwiązania. System ogrzewania w takim budynku powinien być płaszczyznowy. Pozwala to na efektywne korzystanie z pompy ciepła i zapewnienie komfortu przy temperaturze 20°C. Instalacja płaszczyznowa pozwala także na chłodzenie budynku z kontrolą punktu rosy. 

Czy każda pompa nadaje się do „domu bez rachunków”? Autorzy poradnika rekomendują urządzenia z funkcją SG Ready, czyli gotowe do integracji z inteligentną siecią energetyczną (ang. smart grid – SG). Takie pompy mają regulator, który umożliwia realizację czterech stanów roboczych, w tym blokady ze strony operatora sieci energetycznej, często włączanej o stałych porach i trwającej maksymalnie 2 godz.

Ponadto dla realizacji funkcji przygotowania c.w.u. pompy muszą być wyposażone w regulator, który pozwala na podwyższenie zadanej temperatury wody dzięki automatycznej regulacji w celu zmagazynowania energii w formie ciepła.

Zarządzanie energią – dom inteligentny 

Magazynowaniem i zużyciem energii w domowym systemie zasilanym z instalacji PV i wyposażonym w pompę ciepła steruje menadżer energii. Sterowanie może być realizowane m.in. przez złącze SG-Ready. W menadżerze energii nastawia się dane dla odbiorników i określa priorytety załączeń, tzn. w jakiej kolejności poszczególne odbiorniki powinny być załączane. Ustanawia się też hierarchię poboru mocy. Zalecane jest, by wygenerowana energia elektryczna była na bieżąco kierowana najpierw do gospodarstwa domowego (AGD, RTV, oświetlenie, wentylacja) lub systemu grzewczego, w dalszej kolejności do zespołu bateryjnego (jeśli jest), a później do zasobników termicznych: zasobnika c.w.u., zasobnika buforowego i masy budynku (m.in. akumulacja w instalacji płaszczyznowej). W przypadku korzystania z inteligentnych systemów domowych ważna jest dwukierunkowa wymiana informacji między odbiornikami energii elektrycznej a generatorami za pośrednictwem interfejsów cyfrowych. Ma to na celu optymalizację całego systemu. 

Zasobnik c.w.u., buforowy i akumulacja ciepła

Żeby móc optymalnie wykorzystywać energię własną z PV na potrzeby c.w.u., zasobnik ciepłej wody musi być tak zwymiarowany, by dało się z niego pobierać ciepłą wodę przynajmniej przez jeden dzień bez konieczności zasilania go z instalacji fotowoltaicznej. W przypadku autonomicznej regulacji temperatury pomieszczenia, która jest niezależna od pompy ciepła, do magazynowania ciepła może zostać zainstalowany dodatkowy zasobnik buforowy. Już pojemność zasobnika buforowego wynosząca 25 l na 1 kW mocy grzewczej pompy ciepła może sprawić, że energia słoneczna pozyskana po południu zostanie wykorzystana w godzinach wieczornych, co spowoduje wzrost pokrycia (autokonsumpcji) o ok. 10%. Przy wykorzystaniu systemów typu Smart Home cały dom może pełnić funkcję zasobnika ciepła zakumulowanego w masie budynku dzięki systemowi ogrzewania płaszczyznowego.

Odzysk ciepła wentylacyjnego – centrale wentylacyjne

„Dom bez rachunków” wymaga również kontrolowanej wentylacji – czyli mechanicznej z odzyskiem ciepła i chłodu. Daje ona nie tylko oszczędności w zużyciu energii, ale i oczyszcza powietrze oraz zapewnia komfort użytkowy. Centrale o wydajnościach odpowiednich dla domów jednorodzinnych mają klasy energetyczne mówiące o ich efektywności. 

O efektywności energetycznej systemów wentylacyjnych z odzyskiem ciepła stanowi kilka czynników: sprawność odzysku ciepła w centrali, poprawne zaplanowanie sieci przewodów wentylacyjnych minimalizujące opory przepływu powietrza, właściwa regulacja instalacji, możliwość sterowania wydajnością wentylacji według aktualnych potrzeb mieszkańców, zapewnienie szczelności instalacji i odpowiedniej izolacyjności.

Opracowano na podstawie poradnika „Dom bez rachunków” dostępnego bezpłatnie na stronie dombezrachunkow.com

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!