Ogrzewanie w domu zautomatyzowanym

Z pewnością wiele osób zastanawia się, jaki sens ma stosowanie zaawansowanej automatyki w budynku mieszkalnym. Zdaniem autora uzasadnienia dla takiego wydatku są trzy: ekonomika, bezpieczeństwo i komfort. Szczególnie w wypadku budynków, które mają czerpać energię z różnych źródeł odnawialnych, czyli energooszczędnych i proekologicznych, konieczne jest zastosowanie zaawansowanego systemu BMS (Building Management System).

System taki jest niezbędny, by w najbardziej ekonomiczny sposób zarządzał pozyskiwaniem energii z OZE przy zachowaniu zasad bezpieczeństwa i komfortu. Z ekonomicznego punktu widzenia głównym uzasadnieniem dla zastosowania zaawansowanego BMS jest fakt, że odnawialne źródła energii są w dużym stopniu nieprzewidywalne.

Nie jesteśmy w stanie z góry założyć, kiedy będzie intensywne promieniowanie słoneczne, a kiedy silny wiatr, zatem trudno traktować je jako główne źródło energii dla domu, bez względu na to, czy służyć mają zasilaniu lodówki, czy dostarczaniu ciepła. W warunkach polskich można empirycznie sprawdzić, że dobry kolektor słoneczny daje ok. 200–400 kWh ciepła z metra powierzchni rocznie, a z paneli fotowoltaicznych (PV) o nominalnej mocy 1 kWp uzyskać można 800 kWh, jednak trudno byłoby z całą pewnością stwierdzić, kiedy dokładnie będzie to miało miejsce. Tym samym projektowanie układów wykorzystujących OZE jest szczególnie trudne, ponieważ musi ono zdaniem autora uwzględniać multiwalentne źródła zasilania budynku w energię.

Można oczywiście założyć wykorzystanie „stabilnego” monowalentnego źródła energii, jak kocioł gazowy czy ogrzewanie elektryczne, jednak koszty takiego sposobu ogrzewania domu mieszkalnego mogą stać się w dłuższym okresie za wysokie. Istnieją już dziś stabilne źródła OZE, takie jak pompy ciepła, ale jest to jeszcze stosunkowo drogie rozwiązanie i niemożliwe do zastosowania wszędzie.

Nawet przy zastosowaniu pomp ciepła autor w swoich projektach zaleca wprowadzenie drugiego „niezależnego” źródła energii dla domu. W praktyce bowiem im więcej źródeł, tym tańsza eksploatacja (co zostanie wykazane w dalszej części artykułu). Efektem mogą być bardzo niskie koszty c.o. i przygotowania c.w.u., jak ma to miejsce w testowym domu Galia, którego wyniki zostaną przeanalizowane w niniejszej publikacji. Jednak w takim wypadku konieczny jest właśnie BMS, którego zadaniem jest dynamiczne przełączanie pomiędzy poszczególnymi źródłami ciepła lub integracja starszych technologicznie rozwiązań (jak kocioł gazowy lub na paliwo stałe) z nowym odnawialnym źródłem, np. panelami solarnymi.

Uniknąć w ten sposób można raczej mało komfortowej dla domowników konieczności zmieniania w środku nocy źródeł energii z tradycyjnych na odnawialne. BMS podoła temu zadaniu dużo lepiej i bardziej precyzyjnie, a w efekcie ekonomiczniej i bezpieczniej. W artykule opisano działanie systemu na przykładzie istniejącego budynku jednorodzinnego.

Ogrzewanie domu zautomatyzowanego

System grzewczy energooszczędnego domu Galia opierał się początkowo na kondensacyjnym kotle gazowym i kominku z płaszczem wodnym wspomaganymi płaskimi kolektorami słonecznymi. System taki nie działał jednak optymalnie i koszty ogrzewania w sezonie grzewczym były zbyt wysokie. Energia w postaci gorącej wody rozprowadzana była przez ogrzewanie mieszane – grzejniki stalowe oraz ogrzewanie podłogowe.

W trakcie 10 lat eksploatacji budynku do systemu grzewczego włączono pompę ciepła z poziomym dolnym źródłem oraz rozbudowany (obecnie o powierzchni 30 m2) system kolektorów słonecznych. Rozwijający się jednocześnie system niezależnego zasilania budynku w energię elektryczną oparty na przydomowej elektrowni wiatrowej o mocy nominalnej 3 kW oraz elektrowni PV o mocy 4 kWp również stał się okresowym źródłem energii, którą wykorzystuje się w systemie ogrzewania budynku.

System BMS jest niezbędny do bezpiecznego i ekonomicznego zarządzania energią ze wszystkich tych źródeł. Ponieważ zarządza on ogrzewaniem, chłodzeniem, i c.w.u., wydawać się może na pierwszy rzut oka zbyt skomplikowany czy wręcz nieracjonalny, funkcjonuje jednak w budynku testowym, w którym pewna nadmiarowość wynika z poszukiwań optymalnych rozwiązań dla budownictwa energooszczędnego.

Po 10 latach testów można już podsumować pierwsze efekty. Dzięki pełnej integracji poszczególnych urządzeń ogrzewanie budynku stało się zadaniem bardzo złożonym i nieco skomplikowanym. System HVAC (częściowo opisany już w poprzednim numerze RI) pomimo intensywnej wentylacji nie generuje strat w systemie grzewczym.

Dzieje się tak dzięki dogrzewaniu powietrza wtłaczanego do budynku, zarówno ciepłem z c.o., jak i energią elektryczną (najczęściej z paneli PV lub z elektrowni wiatrowej). Jak pokazano na rys. 1, centralne ogrzewanie oparte jest na systemie grzania ciepłej wody przy wykorzystaniu kominka z płaszczem wodnym, pompy ciepła, systemu kolektorów słonecznych oraz grzałek elektrycznych zasilanych z paneli PV i elektrowni wiatrowej.

Założenia pracy systemu

Użytkownik zadaje żądaną temperaturę w domu poprzez indywidualne nastawy w poszczególnych pomieszczeniach. BMS analizuje temperaturę we wszystkich lub tylko w wybranych pomieszczeniach budynku i wylicza chwilową średnią. Następnie na podstawie pomiaru aktualnej temperatury zewnętrznej oraz średniej temperatury wybranych pomieszczeń system wylicza chwilowe zapotrzebowanie na energię dla centralnego ogrzewania, przeliczając je na temperaturę gorącej wody zasilającej panel dystrybucyjny c.o. 

Na rys. 2 obrazuje to żółta krzywa opisana jako „temperatura żądana”. Z drugiej strony system BMS analizuje dostępne źródła gorącej wody dla c.o. i szacuje, które źródło mogłoby być aktualnie wykorzystane. Całość funkcjonuje na tyle dynamicznie, że w ciągu doby przez pewien czas mogą być wykorzystywane wszystkie źródła. Oczywiście istnieje założona wcześniej kolejność uruchamiania poszczególnych źródeł ciepła. 

Zadaniem BMS w sezonie grzewczym jest dobór najbardziej ekonomicznego w danej chwili urządzenia. Kolejność ta przedstawia się następująco:

1. słońce i wiatr (energia z kolektorów słonecznych oraz paneli fotowoltaicznych i małej turbiny wiatrowej),
2. kominek z płaszczem wodnym,
3. pompa ciepła o średnim COP = 3,
4. dogrzewanie grzałkami elektrycznymi w zasobnikach buforowych c.o. z sieci energetycznej,
5. kocioł gazowy.

Hierarchia ta wynika głównie z wprowadzonych do systemu na każdy sezon wartości dla każdego źródła i od kilku lat pozostaje niezmienna, nie jest jednak sztywna. Największe moce i temperatury uzyskiwane są oczywiście z kominka z płaszczem wodnym. W domu Galia zastosowano turbokominek o mocy nominalnej 30 kW, ale system w żaden sposób nie ogranicza domowników w zakresie jego użytkowania. Rozpalenie w kominku w dowolnym momencie funkcjonowania systemu spowoduje przyjęcie fali energii i buforowanie jej w zasobnikach wodnych.

Na rys. 2 zobrazowano kilka dni pracy systemu. Linia żółta pokazuje wyliczoną żądaną temperaturę wody dla c.o., czerwona temperaturę dostępnej wody w systemie, a niebieska wskazuje, jak system mieszał wodę dostępną z powracającą, aby uzyskać żądaną temperaturę. System ma jednak (czego nie widać na tym wykresie) do dyspozycji kilka różnych źródeł gorącej wody, którą może wykorzystać do zasilania c.o., łącznie z c.w.u., której nadmiar okresowo włącza do c.o. przez wymiennik płytowy. 

Nagłe skoki temperatury dostępnej wody dla c.o. widoczne na wykresie wynikają właśnie z decyzji o podłączeniu kolejnego źródła energii. Scenariusz pokazany na rysunku został nieco zaaranżowany – budynek został specjalnie wychłodzony 24 marca, aby można było pokazać, jak w ciągu następnych 30 godzin system poradzi sobie z rozgrzaniem domu do żądanej temperatury 20,5°C. 

24 marca w godz. 10.00–12.00 nie działało żadne urządzenie grzewcze, a BMS wyliczył zapotrzebowanie na gorącą wodę dla c.o. na 45°C. Około godz. 13.00 system włączył pompę ciepła (tania energia w drugiej taryfie), która działała do godz. 15.00, ale jak się okazuje, nie była w stanie nagrzać wody do żądanej temperatury. Wynikało to z ograniczenia maksymalnej temperatury wody dostarczanej przez pompę ciepła spowodowanego jej własnym sterownikiem pogodowym, który szacował, że dla danej temperatury zewnętrznej maksymalna temperatura górnego źródła nie powinna przekraczać 38°C. 

Od godz. 15.00 system, uwzględniając bieżące promieniowanie słoneczne, czekał na energię z paneli solarnych i choć ze względu na uzyski od słońca przez przeszklenia (widoczne na rys. 3 w postaci pików w okresach największego nasłonecznienia w pokojach o ekspozycji południowej) skorygował wcześniejsze zapotrzebowanie na ciepło (widoczne obniżenie się krzywej „żądana temp.” do 42°C), to jednak nie otrzymał żądanej energii. Spodziewana fala energii ze słońca dotarła w postaci ciepłej wody dla c.o. dopiero ok. godz. 18.00 (występowało okresowe zachmurzenie). 

I ta energia ze względu na spadek temperatury zewnętrznej okazała się zbyt mała, by efektywnie ogrzać dom, zatem BMS wystosował prośbę do domowników (wysyłając SMS) o rozpalenie w kominku. Kominek został rozpalony i od godz. 18.00 „fala energii odnawialnej” została udostępniona systemowi c.o. Jak widać, przyrost dostępnej gorącej wody powodował szybkie rozgrzewanie pomieszczeń, a w efekcie BMS decydował się na dalsze stopniowe obniżanie „żądanej temperatury wody dla c.o.”, aż do wartości 38°C. 

Jak pamiętamy, tę wartość osiągała już pompa ciepła i w efekcie o godz. 0.30 następnego dnia BMS ponownie ją włączył, tym razem skutecznie. Pompa działała z charakterystycznymi ładowaniami i rozładowaniami własnego bufora ciepła („grzebień” na rys. 2). Zapotrzebowanie na ciepło do c.o. zmniejszyło się ok. godz. 8.00 i pompa została zupełnie wyłączona.

Warto zwrócić uwagę, że BMS włączał pompę ciepła w okresach, kiedy energia elektryczna była dostępna w tańszej taryfie. Ponieważ w tym czasie zaczął wiać również silny wiatr i w buforze zrzutowym nadmiaru energii z wiatraka (MTW) pojawiała się gorąca woda (widoczny pik do 49°C ok. 9.30), BMS skorzystał z tej energii, włączając ją do obiegu c.o. W tym dniu ok. godz. 11.00 pojawiło się silne słońce, co skutkowało znaczną ilością gorącej wody z paneli solarnych, jak widać na wykresie (mały pik).

Nagromadzenie energii w zbiornikach solarnych skutkowało powstaniem nadmiaru energii cieplnej, BMS rozpoznał ten fakt i zdecydował o przekierowaniu energii elektrycznej z turbiny wiatrowej i paneli fotowoltaicznych (PV) do zasilania całego budynku w prąd, a nie ciepło. Ciepło z paneli słonecznych (od godz. 11.40 do 17.06) zostało skutecznie skumulowane w zbiornikach, wystarczając do całkowitego nagrzania domu do ok. godz. 18 (por. linia żółta na rys. 2, charakterystyczny spadek zapotrzebowania na ciepłą wodę do temp. 28°C równoważony jeszcze przez podaż ciepłej wody). 

Ponieważ zapotrzebowanie na energię spadło do 28°C, zgromadzona w czasie dnia energia słoneczna wystarczała do godz. 23.00, kiedy to BMS zdecydował o włączeniu pompy ciepła. Między godz. 22 a 23 pojawiło się zapotrzebowanie na energię niezrównoważone przez dostępne źródła. Ze względu na działanie spójnego systemu HVAC taki chwilowy brak energii dla c.o. nie spowodował jednak obniżenia temperatury pomieszczeń, kompensując braki ciepła z c.o. poprzez intensyfikację dogrzewania wentylacji (również ze źródeł odnawialnych – energia z MTW i PV zgromadzona w akumulatorach). 

Taki algorytm jest z powodzeniem stosowany w okresach przejściowych, kiedy uzysk energii słonecznej jest na tyle duży, że pokrywa zapotrzebowanie na c.o. przez całą dobę. Udowadnia to rys. 3 pokazujący temperaturę w poszczególnych pomieszczeniach domu Galia, kiedy w efekcie zasilenia buforów ciepła budynek został całkowicie nagrzany ciepłem z energii odnawialnej. W lewym dolnym rogu wyświetlono temperaturę osiągniętą na końcu analizowanego okresu – 20,5°C.

Jeżeli w ciągu dnia systemowi uda się uzyskać wystarczającą ilość energii z paneli słonecznych, by ogrzać dom przez kolejne godziny, to aby dalej działać jak najekonomiczniej, poprosi użytkowników o rozpalenie kominka, a jeśli prośba ta nie zostanie spełniona, włączy kolejne dostępne źródło. Natomiast jeżeli po całym dniu palenia w kominku w nocy okaże się, że temperatura spadła tak, iż konieczne jest uruchomienie dodatkowego źródła energii dla c.o., BMS przeanalizuje, czy wiejący w danym momencie wiatr umożliwia efektywne wykorzystanie energii elektrycznej do c.o., czy konieczne jest włączenie pompy ciepła. W razie uszkodzenia pompy i niemożności rozpalenia kominka (np. nieobecność użytkowników) system awaryjnie włączy kocioł gazowy. 

Podsumowanie

Jak się przedstawiają rzeczywiste koszty działania takiego systemu? Pomijając wydatki na instalacje, oczywiście znaczne, koszty eksploatacji są niewielkie. W trakcie badanych 30 godzin na potrzeby c.o. oraz c.w.u. pompa ciepła zużyła 13 kWh – praca w nocy to koszt 3,25 zł i ok. 10 kg brykietu – koszt 5,50 zł. Daje to razem ok. 8,75 zł przez 30 godzin (przy temperaturach w nocy ok. 0°C), czyli ok. 7 zł na dobę i 210 zł miesięcznie w okresie przejściowym na potrzeby c.o. i c.w.u. 

Oczywiście zimą zapotrzebowanie na energię na potrzeby c.o. jest znacznie większe (dom zużywa ok. 65 kWh/m2/a), głównie ze względu na znikomy uzysk ze słońca i dużą różnicę między temperaturą wewnętrzną i zewnętrzną. W praktyce rośnie zatem zużycie paliwa do kominka – w zależności od jego jakości w sezonie grzewczym (listopad–marzec) dom Galia zużywa kilka ton. Jest to też w dużym stopniu wynik wyboru mieszkańców, którzy zarówno ze względów ekonomicznych, jak i zwyczajowych wolą zimą palić w kominku ekologicznym brykietem (lub własnym paliwem), niż korzystać z pompy ciepła.

Praca systemu grzewczego w zautomatyzowanym budynku, który ma korzystać z energii odnawialnej, jest więc zadaniem bardzo złożonym. Dobrze zaprojektowany BMS może optymalizować i ekonomizować wykorzystanie poszczególnych źródeł ciepła zgodnie ze scenariuszami zadanymi przez użytkowników. W efekcie uzyskać można znaczne obniżenie kosztów eksploatacji w okresie grzewczym. 

W opisywanym budynku udało się o ponad połowę obniżyć koszty eksploatacji ogrzewania w porównaniu z okresem, gdy głównym źródłem ciepła w budynku był kondensacyjny kocioł gazowy. Dziś trudno nawet porównać te koszty, ponieważ system od kilku lat ani razu nie zdecydował o włączeniu kotła gazowego, uznając go za najmniej ekonomiczny, w przeciwnym wypadku realna różnica w kosztach ogrzewania mogłaby być jeszcze większa. Nie wspominając o ograniczeniu emisji CO2 i przejściu na przyszłościowe dla budownictwa energie odnawialne, których udział w bilansie energetycznym naszego kraju jest wciąż dużo mniejszy, niż zadeklarowaliśmy na forum UE.

W kolejnej części klimatyzacja z wykorzystaniem pomp ciepła