Pomiar zużycia mediów w domach jednorodzinnych

Uzupełnienie liczników o popularne „mierniki mocy”, czyli proste urządzenia wkładane do gniazda rejestrujące zużycie energii elektrycznej, dostępne już za kilkadziesiąt złotych, może nie tylko dać obraz miesięcznych kosztów, ale również wskazać urządzenie, które powoduje największe zużycie energii. Jednak zasadniczym mankamentem takich „małych watomierzy” (i innych małych urządzeń pomiarowych) jest fakt, że zwykle nie najadają się one do pomiaru mocy powyżej 3 kW.

A praktyka pokazuje, że warto rejestrować pobory nie małych urządzeń domowych, takich jak pralka, lodówka czy czajnik elektryczny, ale urządzeń grzewczych czy wentylacyjnych. To one pochłaniają najwięcej energii i za pobierane przez nie media płacimy wysokie rachunki. W tym przypadku notowanie stanów licznika gazu i licznika energii zainstalowanego przez jej dostawcę na niewiele się zda. Odkryć możemy jedynie, że w zimie (o ile latem nie stosujemy „klimatyzacji” typu split) zużywamy w ciągu doby kilka razy więcej energii elektrycznej niż latem (szczególnie jeżeli używamy „termy” elektrycznej czy pompy ciepła). Jednak to i tak doskonale widać po wysokościach comiesięcznych rachunków.

Bieżące pomiary zużycia mediów stają się koniecznością w walce z wysokimi rachunkami za energię. Nie mogą one jednak obejmować jedynie pomiarów globalnego zużycia nośników, dokonywanych co miesiąc. Aby efektywnie zredukować koszty, konieczne jest dowiedzenie się, z czego wynika ich wysokość i które urządzenia i w jakim okresie są za to odpowiedzialne. Opisana w artykule metodologia jest częścią większego systemu tzw. inteligentnego budynku, opartego na systemie zarządzania BMS w koncepcji Unihome, zaprojektowanej i zrealizowanej przez autora. System składa się z wielu podsystemów i jednym z nich jest pomiar mediów. Jest on traktowany jako źródło danych dla decyzji podejmowanych przez rzeczywistą „pseudointeligencję” budynku, czyli system automatyki, który ma już zaimplementowaną wiedzę na temat kosztów poszczególnych nośników energii i wody i cały czas stara się je zoptymalizować.

Sama metoda pomiarów nie ma nic wspólnego z systemami zintegrowanej automatyki budynkowej i może być traktowana jako osobny system, niewymagający całego rozbudowanego i kosztownego systemu BMS. Nadaje się ona również dla osób, które zamiast ponosić koszty dużego systemu BMS, wolą arkusz kalkulacyjny czy nawet kalkulator i kartkę papieru i będę posługiwały się głównie swoją wiedzą i potencjałem umysłowym, by śledzić koszty mediów. Będą oni mieli trochę mniejsze efekty, ale dużo więcej satysfakcji.

Co warto mierzyć?

Jeżeli założymy, że celem pomiarów jest mniejsze zużycie mediów przy zachowaniu komfortu, to cel został dość jasno określony – należy działać tak, by zużywać jak najmniej nośników energii lub jak najtańsze (np. w taryfie II). Kwestią podstawową wydają się być rzetelne dane dotyczące aktualnych parametrów zużycia, co w przypadku mediów sprowadza się do konieczności całkowitego opomiarowania budynku. Na pewno warto mierzyć zużycie tych mediów, które generują największe wydatki, czyli gazu i energii elektrycznej oraz, ze względów ekologicznych, również wody.

Zużycie gazu

Opomiarowanie licznika gazu wydaje się być zadaniem najłatwiejszym. Niektóre montowane przez zakład gazowniczy liczniki (jak np. 6G4L) mają możliwość podłączenia zewnętrznego licznika (impulsatora), który generuje impulsy (NO) o liczbie proporcjonalnej do zużytych metrów sześciennych gazu. Nie ma możliwości ingerencji w licznik, a jego montaż polega na przyłożeniu sondy i przykręceniu jej dostarczoną śrubką.

Zużycie energii elektrycznej

Należy zainstalować licznik z wyjściem impulsowym, najlepiej jako podlicznik – według wiedzy autora zakłady energetyczne nie montują takich urządzeń. Zainstalowany tuż za licznikiem będącym własnością zakładu energetycznego podlicznik trójfazowy będzie wskazywał globalne zużycie energii elektrycznej w domu za pomocą wysyłanych impulsów.

Zużycie wody

W tym wypadku wystarczy zamontować wodomierz z przystawką impulsową, podobnie jak w przypadku licznika gazu. Pomiar ilości zużytego ciepła Pomiaru takiego dokonuje się za pomocą specjalnych ciepłomierzy, urządzeń mierzących przepływ medium oraz temperaturę zasilania i powrotu, montowanych na rurach doprowadzających ogrzane lub schłodzone medium do pomieszczeń.

Pomiar „zielonej energii”

W przypadku ciepła pozyskiwanego ze słońca instaluje się ciepłomierze, a w przypadku energii dostarczanej z paneli fotowoltaicznych czy małych elektrowni wiatrowych – specjalne liczniki energii elektrycznej.

Dalsze postępowanie

Po zainstalowaniu wszystkich wymienionych liczników należy podjąć decyzję, czy mieszkańcy sami mierzyć będą impulsy, zastosowany zostanie autonomiczny system ich pomiaru, czy też pomiar mediów zostanie wkomponowany w jakiś większy system, np. zintegrowany system zarządzania całym budynkiem (BMS). W zależności od wielkości środków, jakimi dysponujemy, zastosować można wiele różnych rozwiązań – prostych lub bardziej skomplikowanych. W domu Galia wykorzystywane jest rozwiązanie najbardziej zaawansowane, czyli pomiar mediów, który jest autonomicznym podsystemem w dużym systemie zarządzania inteligentnym budynkiem. Korzystając z opisanych powyżej urządzeń pomiarowych, podających bieżące zużycie mediów, system taki zlicza je i przetwarza w określonych odcinkach czasu oraz wizualizuje. Co jednak najważniejsze, podejmuje na tej podstawie decyzje o włączeniu bądź wyłączeniu poszczególnych urządzeń domowych, redukując zapotrzebowanie na nośniki energii oraz wodę.

Zaawansowany system pomiaru

Na rys. 1 pokazano aktualne zużycie energii elektrycznej (kolor zielony) w opomiarowanym domu. Jak widać, każde włączenie urządzeń, szczególnie tych o znacznej mocy, jak pompa ciepła czy przepływowy ogrzewacz wody, powoduje skoki zużycia energii elektrycznej. Podziałka skali osi pionowej nie jest tu precyzyjnie skalibrowana – obrazuje jedynie zjawisko. Podejmowanie jakichkolwiek decyzji na podstawie tak niestabilnego zużycia energii elektrycznej nie jest racjonalne – nawet określenie aktualnego zużycia prądu nastręcza trudności, nie mówiąc już o przewidywaniu czy analizie zużycia energii w dłuższym czasie. Dlatego też system, stosując metody matematyczne, w czasie rzeczywistym automatycznie wylicza uśrednione zużycie (linia czerwona na rys. 1), wskazując na ich podstawie przewidywane średnie dobowe zużycie energii elektrycznej. Waha się ono w okresie zimowym od 1 do 1,25 kWh na godzinę.

System BMS, widząc, jakie jest aktualne i przewidywane zużycie energii, może włączać (jak to czyni w opisywanym domu) także zasilanie z paneli fotowoltaicznych i małej elektrowni wiatrowej, tak aby maksymalnie wykorzystać „zielony prąd” na potrzeby budynku, a dopiero w ostateczności zasilać nim grzałki dogrzewające c.w.u. Jedynie system, który ocenia zużycie energii w danej chwili i w przyszłości, jest w stanie efektywnie zarządzać wykorzystaniem energii odnawialnej przetworzonej w energię elektryczną, przełączając poszczególne odbiorniki na „zielony prąd” wtedy, gdy ma to ekonomiczne uzasadnienie.

Zużycie gazu

Analiza impulsów pochodzących z gazomierza jest bardzo prosta, ponieważ odbiorników gazu zwykle nie ma w domu wiele i w tym przypadku nie wchodzą w grę tak duże wahania poboru jak zużywanego prądu. Na rys. 1 linia żółta obrazuje zużycie gazu w testowym domu mieszkalnym w analizowanym okresie. Było ono stabilne, a odpowiadała za nie kuchenka gazowa, działająca przez określony czas z tą samą liczbą aktywnych palników. Minimalne zużycie gazu jest również efektem optymalizacji dokonywanej przez system BMS.

Warto może w tym miejscu przytoczyć krótką historię. Dom Galia został wyposażony w system grzewczy oparty na nowoczesnym dwufunkcyjnym gazowym kotle kondensacyjnym renomowanej firmy. Ale już po w pierwszym sezonie grzewczym okazało się, że jego wydajność znacznie odbiega od gwarantowanej przez dostawcę „102-proc.” sprawności, czy raczej efektywności. W kolejnym sezonie, kiedy budynek został już opomiarowany, a sprawność procesu ogrzewania monitorowana przez system BMS, okazało się, że realna sprawność kotła jest o ponad 20% niższa od oczekiwanej.

Zakładając jakiś błąd w pracy urządzenia, wezwano służby serwisowe, które opasały kocioł sondami. Po kilku godzinach pomiarów serwisant przedstawił wydruk, z którego jasno wynikało, że sprawność kotła wynosi niewiele ponad 80%, a to dlatego, że z zakładu gazowniczego nie dociera do niego metan, czyli spodziewany gaz wysokometanowy GZ 50, o zawartości metanu nie mniejszej niż 98,14%, tylko świadomie zaazotowany przez gazownię gaz GZ 35 o zawartości metanu min. 69,4%, a resztę stanowi azot, który kocioł musi podgrzać, by pozbyć się go z paliwa. Tak więc mniejsza o 20% sprawność kotła gazowego została uzasadniona dostarczanym odbiorcy w okresie zimowym (w majestacie obowiązującego prawa i przepisów) niepalnym azotem.

Z tego powodu, właśnie dzięki precyzyjnemu pomiarowi mediów, piękny markowy kocioł kondensacyjny stał się w następnym sezonie grzewczym jedynie drugim rezerwowym (a obecnie już tylko trzecim awaryjnym) urządzeniem podgrzewającym w zimie wodę na potrzeby c.o. i c.w.u. Głównymi urządzeniami grzewczymi stały się kominek z płaszczem wodnym i pompa ciepła. Historia ta pokazuje, że mimo iż dostarczany do naszych mieszkań gaz jest nośnikiem bardzo wygodnym, jest on relatywnie drogi, biorąc pod uwagę jego faktyczną wartość opałową, szczególnie w okresie zimowym.

Analiza zużycia wody

Na rys. 1 pokazano również zużycie wody (linia niebieska), jednak przy zastosowanej skali nałożyło się ono praktycznie na oś „x”. Badanie zużycia wody jest o tyle ważne, że czysta słodka woda już niedługo stanie się na świecie towarem bardzo poszukiwanym, o znaczeniu wręcz strategicznym. Pomimo że w Polsce mamy stosunkowo mało wody pitnej, nie przykładamy należytej wagi do jej oszczędzania i w efekcie zużywamy znacznie więcej wody, niż wynosi średnia europejska. Badanie i opomiarowanie jej indywidualnego zużycia już niedługo stanie się koniecznością, a uświadomiony ekologicznie właściciel domu nie powinien o tym zapominać. W domu Galia funkcjonuje eksperymentalny system powtórnego wykorzystywania wody szarej (do spłukiwania toalet), który sprawia, że zużycie wody jest praktycznie minimalne. Do celów ogrodowych (podlewanie, czyszczenie itp.) wykorzystywana jest magazynowana woda deszczowa. Ścieki są na bieżąco przerabiane przez złoża bakteryjne, tak więc dom i w tym zakresie nie emituje zanieczyszczeń.

Inne możliwości wykorzystania pomiarów zużycia mediów

Instalacja rozbudowanego systemu BMS i liczników zużycia energii skoordynowanych z ciepłomierzami otwiera nowe możliwości sterowania, np. włączaniem poszczególnych urządzeń grzewczych. W przypadku domu Galia po rozpaleniu kominka z płaszczem wodnym staje się on głównym źródłem ciepła na potrzeby c.o. i c.w.u. Jeżeli system BMS stwierdzi, że kominek wygasł, automatycznie włączy pompę ciepła, a jeżeli i ta by zawiodła – kocioł gazowy (zdarza się to średnio raz w sezonie grzewczym). Oczywiście autor nie poleca dla każdego budynku aż tak rozbudowanego systemu – w tym przypadku zestaw ten jest raczej wynikiem stopniowego wprowadzania kolejnych urządzeń, których wydajność testowano.

Jak widać na rys. 2, przedstawiającym ekran sterujący systemu BMS, ciepłomierze podają wielkość energii cieplnej aktualnie przekazywanej do budynku (w zadanym czasie), a dodatkowy blok regulacyjny (w którym zbiegają się trzy rury urządzeń grzewczych) ustawia temperaturę wody dla systemu c.o., tak by zminimalizować straty. Temperatura medium grzewczego dla grzejników, podłóg i dogrzewania powietrza po rekuperacji, czyli 40,1°C, została uznana przez system BMS za najbardziej optymalną w danym momencie.

Temperatura medium powracającego to 23,5°C i w takich warunkach system działa z największą chwilową sprawnością. Rozbudowany system pomiaru mediów daje zatem również nowe możliwości regulacyjne, a co za tym idzie, oszczędności kosztów eksploatacji całego budynku.

Podsumowanie

Pełne opomiarowanie domów jednorodzinnych powinno być dla ich mieszkańców dużo ważniejsze niż np. instalacja zbędnych gadżetów, masowo montowanych w nowych domach, a jest przy tym znacznie tańsze. Wykorzystywać do tego celu można zarówno mały, jak i bardzo rozbudowany system pomiarów i analiz. W każdej sytuacji warto pamiętać, że aż 75% kosztów budynku w całym okresie jego użytkowania to koszty eksploatacyjne. Przy stale wzrastających cenach nośników energii i wody uświadomienie sobie rzeczywistego zużycia mediów może stać się w niedalekiej przyszłości warunkiem komfortowego życia w nowym domu. Dlatego właściciele domów powinni rozpocząć zabawę w „łowcę nadmiernych kosztów” w budżecie domowym od analizy zużywanych mediów, a szybko może się okazać, że stać ich na znacznie więcej, niż im się do tej pory wydawało.