Konfiguracja centrali wentylacyjnej i źródła ciepła a koszty eksploatacji systemu grzewczo-wentylacyjnego domu jednorodzinnego

Obliczenia oparto na wytycznych metody A opisanej w normie PN-EN ISO 13790 [3]. Metoda ta ma zastosowanie w systemach, w których temperatura powietrza nawiewanego nie jest regulowana przez wewnętrzną temperaturę pomieszczeń, zatem elementem decydującym o nakładach energetycznych na uzdatnianie powietrza nie jest chwilowe zapotrzebowanie pomieszczenia na ciepło, lecz nastawa czujnika temperatury umieszczonego w powietrzu nawiewanym.

W takiej sytuacji energia dostarczana do centralnego podgrzewania lub schłodzenia powietrza obliczana jest niezależnie, na podstawie przyjętej temperatury powietrza zewnętrznego i zadanej temperatury nawiewu, i nie może być uwzględniana w bilansie zysków i strat pomieszczenia.

Pojawia się zatem problem związany z określeniem poziomu analizy, na którym należy uwzględnić energię niezbędną do pracy centralnej chłodnicy czy nagrzewnicy (zarówno wstępnej, jak i wtórnej).

Kwestia ta nie jest niestety dokładnie określona w przepisach, co może prowadzić do różnych interpretacji metody obliczeniowej i różnych wyników kalkulacji prowadzonych dla tego samego obiektu.

Analizę przeprowadzono dla obiektu, który został opisany w artykule [6] – domu jednorodzinnego o powierzchni użytkowej 164 m², zlokalizowanego w II strefie klimatycznej okresu zimnego. Budynek charakteryzuje się bardzo dobrymi parametrami w zakresie izolacyjności cieplnej. Strumień powietrza wentylującego wynosi 250 m³/h, co zapewnia średnią krotność wymiany powietrza w całym budynku na poziomie 0,5 h–1. Analizowane konfiguracje systemu wentylacji przedstawiono w tabeli 1.

Wpływ metody obliczeniowej na wartość współczynnika EU_co

Zastosowanie systemu wentylacji mechanicznej umożliwia realizację odzysku ciepła z powietrza wywiewanego. Ze względu na korzystną zmianę wartości wskaźnika EU_co dla budynku wydaje się to dobrym rozwiązaniem, jednak w rzeczywistości sytuacja nie jest tak jednoznaczna.

Ocenę skutków wprowadzenia takiego systemu wentylacji należy przeprowadzić na podstawie analizy zapotrzebowania na energię końcową oraz pierwotną nieodnawialną, a nie tylko na podstawie wskaźnika EU_co, który nie jest jedynym i najważniejszym wskaźnikiem energochłonności budynku. Przy szczegółowym rozważaniu problemów związanych z obliczaniem współczynnika EU_co dla budynków wyposażonych w wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła napotyka się na nieścisłości w podejściu do kwestii energii dostarczanej do centrali wentylacyjnej, co zasygnalizowano we wstępie do artykułu.

Podejście pokazane w artykule [6] umożliwiło uzyskanie wyników oznaczonych w tabeli 2 jako EU_co. Zakładało ono uwzględnienie w obliczaniu współczynnika b_ve temperatury nawiewu za centralą wentylacyjną, a energię dostarczaną do nagrzewnicy wstępnej i/lub wtórnej centrali wentylacyjnej wliczono dopiero na poziomie energii pomocniczej (końcowej).

Podejście takie wydaje się rozsądne ze względu na zasilanie jednej i drugiej nagrzewnicy energią elektryczną. Możliwe jest uwzględnienie energii dostarczanej do nagrzewnic jako energii użytkowej, jednak nie uwzględniając tej części energii w obliczaniu czynnika wykorzystania zysków ciepła.

Należy również pamiętać, że ta część energii to w tym przypadku energia elektryczna, a nie energia cieplna dostarczana z głównego źródła ciepła dla budynku, co oczywiście ma znaczenie dla sposobu wyznaczania energii końcowej i przyjmowanych sprawności. Docelowo wartość obliczanego zapotrzebowania na energię końcową oraz samego wskaźnika EP budynku będzie taka sama, ale różne są wskaźniki EU_co, co przedstawiono w  tabeli 2.

Widoczne jest, że wpływ samej konfiguracji centrali na wartość wskaźnika EU_co jest znaczący – pomiędzy najwyższym a najniższym różnica wynosi 32% (względem wartości minimalnej). Wartość wskaźnika zapotrzebowania na energię użytkową, uzyskaną przy uwzględnieniu na tym etapie energii dostarczanej do nagrzewnic, oznaczono jako EU_co’. Zmiana poziomu uwzględnienia energii dostarczanej do nagrzewnicy wstępnej i wtórnej to zmiana wartości EU_co’ o 5–77% względem odpowiadającej wartości EU_co.

Koszt eksploatacji budynku

Do analizy kosztów eksploatacji budynku wybrano kondensacyjny kocioł gazowy, pompę ciepła solanka/woda, pompę ciepła powietrze/woda oraz kocioł opalany biomasą. Sprawności systemów grzewczych oraz zapotrzebowanie na energię elektryczną pomocniczą dla systemów c.o. i c.w.u. określono w oparciu o dane zawarte w rozporządzeniu [1] i przedstawiono w tab. 3. W tabeli tej zestawiono również koszty jednostkowe poszczególnych nośników energii, stanowiące podstawę do obliczenia kosztów ogrzewania.

W tab. 4 zestawiono wartości zapotrzebowania na energię pomocniczą niezbędną do pracy systemu wentylacji w różnych konfiguracjach.

Na podstawie tych informacji możemy obliczyć, ile będzie kosztowała praca systemu wentylacji mechanicznej – zróżnicowanie wynosi od 372 zł dla rozwiązania nr 6 do 1322 zł dla rozwiązania nr 3. Należy tu jednak pamiętać, że w przyjętej metodzie obliczeń energią pomocniczą jest nie tylko energia związana z pracą wentylatorów, ale także ta, która doprowadzana jest do nagrzewnicy wstępnej i/lub wtórnej.

Uwzględniono również energię związaną z systemem zabezpieczenia przed oszranianiem wymiennika do odzysku ciepła. Jak widać, podejście takie pozwala na stosunkowo proste porównanie efektywności energetycznej systemów wentylacji mechanicznej (co nie byłoby możliwe w drugim omawianym podejściu do obliczeń), można jednak stwierdzić, że jednocześnie zaniża ono wartość współczynnika EU_co budynku.

Zastosowana metoda nie pozwala także na kompleksowe porównanie na tym etapie systemu wentylacji naturalnej z pozostałymi rozwiązaniami, gdyż energia konieczna do doprowadzenia do budynku w rozwiązaniu 1 ujęta jest w energii użytkowej, a w pozostałych rozwiązaniach pojawia się dopiero na dalszym etapie obliczeń.

Dyskusja dotycząca kosztów pracy systemu wentylacyjnego bez uwzględnienia energochłonności całego budynku i kosztów pracy źródła ciepła nie pozwala na pełną ocenę sytuacji. Dlatego, uwzględniając dane z tab. 2, tab. 3 i tab. 4, obliczono roczne koszty eksploatacji całego systemu grzewczo-wentylacyjnego dla analizowanego domu jednorodzinnego, a wyniki zobrazowano na rys. 1.

Dla analizowanego budynku, w przypadku gdy źródłem ciepła jest kocioł gazowy lub kocioł opalany biomasą, bez względu na to, w jaki sposób skonfigurowany zostanie system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, osiągnięte zostaną korzyści finansowe w stosunku do systemu opartego na wentylacji naturalnej.

W przypadku kotła gazowego, w stosunku do systemu z wentylacją naturalną (rozwiązanie 1), najkorzystniej skonfigurowany system wentylacji (rozwiązanie 6) obniży koszty eksploatacji o 1326 zł/rok (28%), a najmniej korzystnie skonfigurowany (rozwiązanie 3) obniży koszty o 549 zł/rok (11%). Przełoży się to oczywiście na okres zwrotu inwestycji, który w przypadku rozwiązania 3 znacząco się wydłuży i prawdopodobnie znacznie przekroczy 20 lat.

W przypadku kotła opalanego biomasą, inwestując w wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła, dla analizowanego budynku możemy uzyskać oszczędności w zakresie od 670 zł/rok (14%) dla rozwiązania 3 do 1430 zł/rok (29%) dla rozwiązania 6 w odniesieniu do systemu z wentylacją naturalną (rozwiązanie 1).

Gdy planowanym źródłem ciepła dla budynku jest pompa ciepła („gruntowa” lub „powietrzna”), wykonanie systemu wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, który pozwoli na obniżenie kosztów eksploatacji, jest dużo trudniejsze. Rozwiązanie 3 (system z elektryczną nagrzewnicą wtórną utrzymującą na nawiewie 20°C), w porównaniu z systemem wentylacji naturalnej, prawdopodobnie zwiększy koszty eksploatacji budynku o 294 zł/rok dla pompy gruntowej i prawie nie przyniesie zmian w przypadku pompy powietrznej.

Dla rozwiązania z pompą ciepła solanka/woda pozytywne efekty ekonomiczne uzyskuje się, gdy nastawa temperatury nawiewu dla nagrzewnicy wtórnej ograniczona zostanie do 16°C. W takim przypadku:

• dla centrali z mniej efektywnym energetycznie zabezpieczeniem przeciwzamrożeniowym (w obliczeniach założono q_WYW,R = 5°C) dla układu zabezpieczanego przez nagrzewnicę wstępną (rozwiązanie 2) uzyskujemy oszczędności 146 zł/rok (5%), a dla układu z by-pasem (rozwiązanie 4) 286 zł/rok (10%);
• dla centrali z bardziej efektywnym energetycznie zabezpieczeniem przeciwzamrożeniowym (w obliczeniach założono q_WYW,R = 0°C) dla układu zabezpieczanego przez nagrzewnicę wstępną (rozwiązanie 5) uzyskuje się oszczędności 524 zł/rok (17%), a dla układu z by-passem (rozwiązanie 6) 599 zł/rok (20%).

Dla rozwiązania z pompą ciepła powietrze/woda pozytywne efekty ekonomiczne uzyskuje się, gdy nastawa temperatury nawiewu dla nagrzewnicy wtórnej zostanie ograniczona do 16°C. W takim przypadku oszczędności mogą mieścić się w zakresie od 456 zł (13%) dla rozwiązania 3 do 898 zł (25%) dla rozwiązania 6.

Wyniki wszystkich analiz zaprezentowano na rys. 1. Widoczne jest znaczne zróżnicowanie kosztów eksploatacji w zależności od konfiguracji systemu grzewczego i wentylacyjnego. Kwestie opłacalności inwestycji są szczególnie skomplikowane w przypadku pomp ciepła, gdyż wprowadzenie odzysku ciepła umożliwia zakup urządzenia grzewczego mniejszej mocy. Jest to główne uzasadnienie, na poziomie kosztów inwestycyjnych, montażu wentylacji z odzyskiem ciepła.

Należy zauważyć jednak, że system wentylacji mechanicznej nie oznacza obniżenia kosztów eksploatacji w takim stopniu, w jakim oddziałuje on na wskaźnik EU_co, czyli o ponad 50%. W zależności od konfiguracji systemu dla analizowanego budynku koszty te spadną o ok. 30–40%, przy pominięciu wpływu c.w.u. w kosztach eksploatacji, w przypadku stosowania central z efektywnym energetycznie systemem odszraniania i rezygnacji z wykorzystania pełnych możliwości nagrzewnicy wtórnej (nastawa temperatury nawiewu 20°C).

Jeżeli zastosowany zostanie mniej efektywny system zabezpieczający wymiennik przed zamarzaniem lub gdy nagrzewnica wtórna eksploatowana będzie z nastawą 20°C, wtedy w związku z montażem wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, pomimo znacznego spadku wskaźnika EU_co budynku, koszty mogą się obniżyć o ok. 20% (w przypadku kotła gazowego lub opalanego biomasą) lub prawie nie ulegną zmianie (w przypadku pomp ciepła).

Wpływ PV na wskaźnik EP oraz koszty eksploatacji

W artykule [6] wyliczono wartości wskaźnika EP dla różnych konfiguracji systemu grzewczo-wentylacyjnego analizowanego budynku. Pomimo wysokiej izolacyjności cieplnej budynek wyposażony w wentylację naturalną i zasilany z kotła gazowego kondensacyjnego nie spełniał kryterium wymaganego przez obecnie obowiązujące przepisy WT 2014 [5], czyli wskaźnik EP mniejszy od 120 kWh/(m² rok).

Tylko część konfiguracji (wszystkie dla kotła opalanego biomasą, rozwiązanie nr 1, 2, 4, 5, 6 dla pompy ciepła solanka/woda, rozwiązanie nr 4, 5 i 6 dla pompy ciepła powietrze/woda i rozwiązanie nr 5 i 6 dla kondensacyjnego kotła gazowego) spełniała wymagania WT 2017 [5], czyli EP mniejsze od 95 kWh/(m² rok). Jedynie układy z kotłem opalanym biomasą zapewniały spełnienie przez obiekt wytycznych WT 2021 [5], czyli EP mniejszego od 70 kWh/(m² rok).

W związku z tym ważnym kierunkiem rozwoju systemów instalacji budynkowych staje się dołączanie do pakietu standardowo stosowanych w domach jednorodzinnych rozwiązań ogniw fotowoltaicznych (PV), co pozwoli wykonywać je w standardzie budynku blisko zeroenergetycznego.

Rys. 2 obrazuje wpływ montażu ogniw PV o mocy 3 kWp, czyli o powierzchni około 20 m², na wartość wskaźnika zapotrzebowania na energię pierwotną nieodnawialną.

Uwzględnienie produkowanej przez ogniwa PV energii elektrycznej w bilansie energetycznym budynku powoduje znaczące zredukowanie wskaźnika EP. Proponowana powierzchnia ogniw PV jedynie w przypadku budynku wyposażonego w wentylację naturalną i zasilanego z kotła gazowego kondensacyjnego nie przynosi korekty wskaźnika poniżej wartości 70 kWh/(m2 rok). Wynika to z braku podstawy prawnej umożliwiającej zbilansowanie poboru gazu poprzez produkcję energii elektrycznej. W pozostałych przypadkach zapotrzebowanie na energię elektryczną do pracy pomp ciepła lub systemu wentylacji mechanicznej zbilansowane zostaje przez energię wytworzoną w ogniwach PV i efekt jest bardzo korzystny.

Oczywiście nadal widoczne są różnice pomiędzy poszczególnymi konfiguracjami systemu grzewczo-wentylacyjnego, jednak wszystkie proponowane rozwiązania spełniają wymagania stawiane domom jednorodzinnym przez WT 2021 [5].

Z punktu widzenia inwestora wskaźnik zapotrzebowania na energię pierwotną nieodnawialną ma jednak prawdopodobnie mniejsze znaczenie niż koszty eksploatacji budynku.

Od dość długiego czasu oczekiwane jest w naszym kraju wprowadzenie wsparcia umożliwiającego rozwój energetyki prosumenckiej związanej z ogniwami PV. Szczególne znaczenie ma to z punktu widzenia właścicieli domów jednorodzinnych, którzy dzięki produkcji energii elektrycznej w indywidualnych instalacjach mogliby znacząco obniżyć energochłonność swoich budynków (w rozumieniu zmniejszenia zapotrzebowania na energię pierwotną nieodnawialną), ale przede wszystkim obniżyć koszty eksploatacji.

Aktualny stan prawny w zakresie rozliczania indywidualnych systemów PV budzi wiele wątpliwości i dyskusji. W analizach przyjęto, że budynek rozliczany będzie zgodnie z obowiązującym od 31 grudnia 2015 r. systemem net-metering, który w Polsce sprowadza się do bilansowania energii elektrycznej pobieranej i produkowanej w cyklach półrocznych.

Z ważnych informacji – należy zauważyć, że prosument w Polsce ma prawo zbilansować energię czynną, a koszty dystrybucji energii elektrycznej pobranej z sieci musi ponieść bez względu na to, czy w późniejszym okresie odda wyprodukowaną przez siebie energię do sieci. W takiej sytuacji najlepszym rozwiązaniem byłoby wykorzystywanie jak największej ilości produkowanej energii bezpośrednio po wytworzeniu, unikając opłat przesyłowych.

Ze względu na dużą niekoherentność dostawy energii elektrycznej z systemów PV względem zapotrzebowania na energię elektryczną w domu jednorodzinnym należy się jednak liczyć z tym, że udział tzw. bezpośredniego wykorzystania nie będzie wysoki. Na potrzeby analizy przyjęto, że będzie to 25%.

Wszystkie te założenia znacząco upraszczają analizę, czego konsekwencją jest fakt, że dokładność oszacowania kosztów eksploatacji systemu grzewczego zasilanego z układu PV nie jest wysoka. Dodatkowo należy pamiętać, że energia elektryczna w domu jednorodzinnym zużywana jest również na inne cele niż ogrzewanie i przygotowanie c.w.u., tzn. oświetlenie, urządzenia RTV i AGD, gotowanie. W przybliżeniu jest to ok. 3000 kWh/rok energii elektrycznej, którą również można próbować ująć w kosztach eksploatacji.

Jest to szczególnie istotne w przypadku układów z kotłem opalanym biomasą i z kotłem gazowym, które nie generują na tyle dużego zapotrzebowania na energię elektryczną pomocniczą, żeby rozdysponować całość energii produkowanej w systemie PV o mocy 3 kW. W praktyce można byłoby więc uwzględnić, że co prawda koszty eksploatacji systemu grzewczego są wyższe, ale pozostaje nadmiar darmowej energii elektrycznej (ok. 2000 kWh/rok), który finalnie obniży koszty utrzymania całego domu jednorodzinnego.

Wyniki obliczeń kosztów eksploatacji analizowanych systemów grzewczych, przy uwzględnieniu dostawy energii elektrycznej z ogniw PV, przedstawiono na rys. 3.

Podsumowanie

Przeprowadzona analiza miała na celu wykazanie, jak wrażliwe na sposób eksploatacji są wskaźniki ekonomiczne i energetyczne. W zależności od tego, w jaki sposób eksploatujemy centralę wentylacyjną i jakie jest źródło ciepła dla budynku, wentylacja mechaniczna może się okazać inwestycją korzystną finansowo lub nie. Nieprzemyślane sterowanie pracą układu może całkowicie zniweczyć założenia dotyczące ekonomiczności inwestycji: przy efektywnie skonfigurowanym systemie grzewczo-wentylacyjnym osiągnięto obniżenie kosztów eksploatacji budynku o 30%, natomiast w najmniej korzystnym przypadku koszty wzrosły o 10%.

Na co należy zwrócić uwagę, wybierając system wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła dla domu jednorodzinnego?

1. Cena dobieranego rekuperatora. Ze względu na czas zwrotu systemu wentylacji mechanicznej bardzo ważne jest dobieranie stosunkowo tanich rozwiązań. Dostępne na rynku centrale wentylacyjne z odzyskiem ciepła to koszt od ok. 5000 do 10 000 zł. Należy pamiętać o cenie kanałów i innych elementów systemu (kratki wywiewne, nawiewniki, przepustnice, czerpnia, wyrzutnia). Sumaryczny koszt wykonania systemu może się więc wahać od ok. 10 000 do 20 000 zł (dla większych domów). Koszt ten należy zestawić z potencjalnymi oszczędnościami, różnymi dla różnych konfiguracji centrali i co ważne źródła ciepła, oraz z ewentualnym obniżeniem kosztów inwestycyjnych zakupu źródła ciepła (szczególnie istotne w przypadku pomp ciepła).

2. Zależność sprawności odzysku ciepła od strumienia powietrza wentylującego. Wysoka sprawność odzysku ciepła z powietrza wywiewanego jest podstawową kwestią wpływającą na koszty eksploatacyjne systemu grzewczo-wentylacyjnego. W katalogu centrali wentylacyjnej powinna być możliwość odczytania sprawności dla projektowanego strumienia powietrza przy jego zrównoważonym przepływie (strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego są sobie równe). W katalogach znaleźć można niekiedy sprawności podane dla różnych strumieni, co wynika z przepisów dotyczących procedury badania wymienników do odzysku ciepła. W niektórych przypadkach może to prowadzić do zawyżenia ich osiągów w stosunku do warunków rzeczywiście występujących w budownictwie jednorodzinnym.

3. Zależność mocy wentylatora od tłoczonego strumienia oraz oporów przepływu w instalacji. Moc wentylatora jest ściśle związana z jego wydajnością i oporami przepływu w całej instalacji – dla analizy zużycia energii elektrycznej bardzo ważny jest prawidłowy odczyt mocy wentylatorów centrali z jej karty doboru.

4. Sposób rozwiązania zabezpieczenia wymiennika do odzysku ciepła przed zamrożeniem oraz dogrzewu powietrza nawiewanego. Niestety wraz ze wzrostem sprawności odzysku ciepła w centrali wentylacyjnej wzrasta ryzyko zamarzania wymiennika. Konieczne jest zapoznanie się ze sposobem jego zabezpieczenia, gdyż w wielu przypadkach działanie systemu przeciwzamrożeniowego może generować wysokie koszty eksploatacyjne, co było już poruszane w innych publikacjach [7, 8, 9]. Niższa sprawność odzysku ciepła to z kolei niższa temperatura powietrza nawiewanego i konieczność jego dogrzewania. Ważne jest zoptymalizowanie planowanego rozwiązania, gdyż ma ono znaczący wpływ na kwestie finansowe (koszty eksploatacji), ale również na wysokość wskaźnika EP budynku.

Literatura

1.  Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 3 czerwca 2014 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2014, poz. 888, z późn. zm.).
2. PN-83/B-03430 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania, wraz ze zmianą PN-83/B-03430/Az3.
3. PN-EN ISO 13790 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczenia zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia.
4. PN-EN ISO 13789 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynniki wymiany ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania.
5. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2013, poz. 926, z późn. zm.).
6.  Szulgowska-Zgrzywa M., Kostka M., Wpływ konfiguracji centrali wentylacyjnej i źródła ciepła na wskaźniki EU i EP domu jednorodzinnego, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2016.
7. Kostka M., Zając A., Eksploatacja central wentylacyjnych a dotacje dla domów energooszczędnych, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2013.
8. Kostka M., Zając A., Dopłaty do domów energooszczędnych a zużycie energii elektrycznej na wentylację mechaniczną, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2013.
9.  Kostka M., Szulgowska-Zgrzywa M., Obliczenia energetyczne gruntowych rurowych wymienników ciepła, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2015.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!