Zapotrzebowanie na energię do przygotowania ciepłej wody użytkowej w budynkach istniejących

Wzrost zużycia energii jest niechcianym następstwem rozwoju gospodarczego. Warto przy tym zwrócić uwagę, że sektor budowlany należy do wysoce energochłonnych obszarów gospodarki. Zużycie energii końcowej przez budynki stanowi ok. 40% całkowitego zużycia energii końcowej w krajach Unii Europejskiej. Aby zredukować ilość energii kierowanej do sektora budowlanego, konieczne jest prowadzenie prac, które zmierzają do zmniejszenia zapotrzebowania na energię w budynkach istniejących.

Przed przeprowadzeniem termomodernizacji budynku wykonuje się audyt energetyczny. Ma on na celu wskazanie usprawnień, które pozwolą na zwiększenie efektywności energetycznej budynku, czyli zmniejszenie ilości zużywanej energii, a tym samym zmniejszenie kosztów ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Poprawnie wykonany audyt powinien opierać się m.in. na inwentaryzacji techniczno-budowlanej budynku oraz danych opisujących rzeczywiste zużycie energii w obiekcie.

Uzyskanie informacji o rzeczywistym zużyciu energii lub paliwa jest relatywnie proste. Większym problemem w przypadku braku odpowiednich danych pomiarowych jest podział kosztów na cele ogrzewania i przygotowania ciepłej wody. Tego zagadnienia dotyczy artykuł.

Analizy przeprowadzono dla następujących danych: miesięczne zużycie energii końcowej dostarczonej do budynku (sumaryczne do ogrzewania i przygotowania c.w.u.) i roczne zużycie c.w.u. Jest to typowy pakiet danych pomiarowych dostarczany na potrzeby analizy rzeczywistego zużycia energii w istniejącym budynku.

Obliczanie zapotrzebowania na energię do przygotowania c.w.u. w budynku istniejącym powinno być oparte na rocznym zużyciu tego medium w budynku. W Polsce do obliczeń tego zapotrzebowania powszechnie stosowana jest zależność opisana w rozporządzeniu w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku oraz sposobu sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej [1]. Pozwala ona wykonać obliczenia w kroku rocznym, choć powszechnie, prawdopodobnie w związku z wytycznymi obowiązującymi w Niemczech, stosowana jest również do szacowania miesięcznego zapotrzebowania na energię do tego celu.

Takie podejście obarczone jest dużym błędem, gdyż zużycie energii na potrzeby przygotowania c.w.u. jest różne w poszczególnych miesiącach roku i, jak wykazano w pracy [2], związane ze zmianami temperatury wody wodociągowej w ciągu roku i zmianami zużycia ciepłej wody, na które wpływ mają np. przypadający lub nie w danym miesiącu okres urlopowy czy temperatura zewnętrzna zmieniająca preferencje użytkowników dotyczące temperatury kąpieli.

Stosunkowo powszechnym podejściem przy określaniu rzeczywistej wartości zapotrzebowania na energię końcową do przygotowania c.w.u. w budynkach istniejących jest wykorzystanie do tego celu pomiarów zużycia energii z okresu letniego. Obliczenia te opierają się zazwyczaj na założeniu równomiernego rozkładu zużycia energii na ten cel w ciągu roku. W artykule jako alternatywę do założenia równomiernego zużycia energii na przygotowanie c.w.u. przedstawiono model opisany w pracy [2].

Opis analizowanego systemu

Do analizy wykorzystane zostały dane pomiarowe dotyczące miesięcznego zużycia energii cieplnej do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody oraz kwartalnego zużycia ciepłej wody użytkowej dotyczące trzech budynków wielorodzinnych. Źródłem ciepła dla wszystkich budynków są węzły ciepłownicze zasilane z miejskiej sieci ciepłowniczej, a źródłem wody wodociągowej – system wodociągów zasilanych z ujęcia powierzchniowego. Dostępne dane dotyczące analizowanych budynków podano w tab. 1 oraz na rys. 1 i rys. 2.

Na rys. 1 przedstawiono zużycie energii w rozbiciu na poszczególne miesiące. Dane zarejestrowane zostały przez ciepłomierz główny zamontowany w węźle ciepłowniczym, służący do rejestracji zużycia energii na potrzeby centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. Na wykresie zauważyć można, że źródło ciepła w okresie od czerwca do września pracowało prawdopodobnie wyłącznie na potrzeby przygotowania c.w.u.

Na rys. 2 przedstawiono rzeczywiste roczne zużycie ciepłej wody użytkowej w budynkach dla tego samego okresu, z którego pochodzą pomiary zużycia energii. Największe zużycie występuje w budynku III, w którym znajduje się największa liczba mieszkań, co jest oczywiście związane z liczbą użytkowników korzystających z instalacji c.w.u.

Metody wyznaczania zapotrzebowania na energię użytkową do przygotowania c.w.u.

Analizę zapotrzebowania na energię do przygotowania c.w.u. w budynkach istniejących najlepiej wykonać w oparciu o dane na temat rzeczywistego zużycia tego medium. Jednak w niektórych przypadkach taka informacja nie jest dostępna i wartość tę należy obliczyć. Oszacowania zużycia ciepłej wody dokonuje się wtedy w odniesieniu do liczby mieszkańców lub do powierzchni budynku.

Poniżej opisano wytyczne z rozporządzenia w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku (certyfikacji energetycznej) [1], a w dalszej części zaprezentowano podejście obliczeniowe zaproponowane w artykule [3] i potwierdzone w pracy [2], opierające się na liczbie pomieszczeń w budynku.

W wielu analizach dla uproszczenia przyjmuje się, że zużycie energii użytkowej i końcowej do przygotowania c.w.u. jest wartością stałą w kolejnych miesiącach i w kolejnych dobach. W rzeczywistości zapotrzebowanie to ulega jednak pewnym wahaniom sezonowym związanym ze zmianami wartości czynników wpływających na jego wartość, tj. zużyciem ciepłej wody i temperaturą wody zimnej. Wpływ tych czynników uwzględniono w konstruowaniu metody obliczeniowej opisanej w pracy [2].

Świadectwo energetyczne

Podstawą do obliczenia rocznego zapotrzebowania na energię użytkową do przygotowania ciepłej wody użytkowej na potrzeby certyfikacji energetycznej jest jednostkowe dobowe zapotrzebowanie na c.w.u. (V_Wi) odniesione do powierzchni ogrzewanej pomieszczeń w budynku (A_f).

Wartość jednostkowego zapotrzebowania na c.w.u. zależna jest od typu certyfikowanego budynku oraz w przypadku budynków mieszkalnych wielorodzinnych – od sposobu rozliczenia zużycia ciepłej wody. I tak dla wszystkich budynków mieszkalnych wielorodzinnych rozliczanych według indywidualnego zużycia należy przyjąć wartość V_wi = 1,60 dm³/(m² doba).

Po przemnożeniu przez powierzchnię przestrzeni ogrzewanej budynku uzyskuje się dobowe zużycie c.w.u., które jest podstawą do obliczeń rocznego zapotrzebowania na energię użytkową do przygotowania c.w.u. zgodnie z poniższym wzorem. Podkreślić należy, że obliczenia te są w dużym stopniu przybliżone i mogą znacząco odbiegać od rzeczywistego zużycia energii do przygotowania c.w.u. w budynku.

  (1)

Model zużycia c.w.u. i energii użytkowej do przygotowania c.w.u. w kroku miesięcznym

W niektórych analizach energetycznych obliczenie zużycia energii na potrzeby przygotowania c.w.u. w kroku rocznym może się okazać niewystarczające, dlatego w pracy [2] przedstawiona została alternatywa umożliwiająca wykonanie tych obliczeń w kroku miesięcznym, dobowym i godzinowym.

Obliczenia zużycia energii na potrzeby c.w.u. w kroku miesięcznym, zgodnie z proponowaną w [2] metodą postępowania, należy rozpocząć od obliczenia średniego dobowego zapotrzebowania na c.w.u. W tym celu skorzystać można z modelu średniego dobowego zużycia ciepłej wody użytkowej (V_śr,d) opracowanego dla budynków wielorodzinnych, opisanego szerzej w publikacji [3].

Zaproponowany model, przedstawiony równaniem (2), oparty został na strukturze mieszkaniowej budynku, dzięki czemu dobrze opisuje zużycie c.w.u. w budynkach o nietypowej strukturze, czyli np. ze stosunkowo dużą liczbą kawalerek i/lub mieszkań 4–5-pokojowych.

 (2)

W celu obliczenia miesięcznego zużycia c.w.u. (V_m) według modelu opisanego w [2] należy średnie dobowe zużycie przemnożyć przez współczynnik korekcyjny (n_m) odpowiedni dla danego miesiąca, przedstawiony na rys. 3, oraz oczywiście przez liczbę dni danego miesiąca (L_dm).

W pracy [2] wykazano również, że przy miesięcznych analizach konieczne jest uwzględnienie rzeczywistego profilu zmian temperatury wody zimnej, gdyż ma on znaczący wpływ na zużycie energii. Wartość i zmiany tej temperatury zależą głównie od sposobu ujęcia wody w zakładzie uzdatniania oraz lokalizacji (co jest powiązane z temperaturą powietrza zewnętrznego i gruntu, które wpływają na temperaturę wody wodociągowej).

W przedstawionych poniżej analizach wykorzystano przykładowy profil temperatury wody zimnej w przyłączu wodociągowym do budynku, dostarczanej z ujęcia powierzchniowego zlokalizowanego w tej samej strefie klimatycznej co analizowane budynki. Profil ten przedstawiono na rys. 4.

W celu obliczenia miesięcznego zapotrzebowania na energię do przygotowania c.w.u. w budynku wielorodzinnym należy skorzystać z miesięcznego zużycia c.w.u. (V_m) i odpowiedniego miesięcznego profilu temperatury wody zimnej.

  (3)

Analiza zużycia energii cieplnej do przygotowania c.w.u. na przestrzeni roku

Na wstępie poddano dyskusji roczne wartości zużycia ciepłej wody użytkowej.

Na rys. 5 przedstawiono roczne zużycie c.w.u. uzyskane z pomiarów i obliczone na podstawie modeli opisanych w pracy [2], rozporządzeniu [1] i rozporządzeniu [4].

Na wykresie można zauważyć, że model opisany w nieobowiązującym już rozporządzeniu dotyczącym certyfikacji energetycznej [4] oparty na liczbie użytkowników instalacji zdecydowanie najgorzej odwzorowuje przedstawione pomiary zużycia c.w.u.

Natomiast model oparty na strukturze mieszkaniowej i zależność opisana w rozporządzeniu [1] stosunkowo dobrze opisują rzeczywiste zużycie w analizowanych budynkach. Przy czym w budynku I i II występują głównie mieszkania 2- i 3-pokojowe, a w budynku III jest znaczna liczba mieszkań 4-pokojowych, przez co zaproponowany w pracy [2] model istotnie lepiej dopasowuje się do rzeczywistego zużycia c.w.u.

Zasadniczo modele zużycia ciepłej wody są niestety zawodne. Rzeczywiste zapotrzebowanie na to medium podlega bardzo dużemu oddziaływaniu indywidualnych preferencji użytkowników i dla budynków istniejących na potrzeby audytów energetycznych czy innych analiz dotyczących efektywności energetycznej lub kosztów energii lepiej posługiwać się rzeczywistymi wartościami zużycia c.w.u. w danym obiekcie.

Następnie analizie poddano kwartalny rozkład zużycia ciepłej wody użytkowej w badanych budynkach wielorodzinnych. Do tego celu wykorzystano informacje na temat rzeczywistego kwartalnego zużycia ciepłej wody, model zaproponowany w pracy [2] i rozkład oparty na liczbie dni w miesiącu, który dość powszechnie stosowany jest przy tego typu analizach.

Rozkład kwartalny opisuje udział zużycia c.w.u. w danym kwartale względem zużycia rocznego. Wszystkie dane zamieszczono na rys. 6.

Zauważyć należy, że zużycie ciepłej wody użytkowej jest ewidentnie uzależnione nie tylko od liczby dni w miesiącu, ale również, jak wykazano w pracy [2], od preferencji użytkowników ściśle związanych z temperaturą zewnętrzną czy liczbą dni wolnych od pracy. W związku z tym w rzeczywistych pomiarach i rozkładzie zaproponowanym w modelu [2] widoczny jest wyraźny spadek zużycia wody w okresie ciepłym (II i III kwartał). W III kwartale roku, na który przypadają miesiące urlopowe, tj. lipiec i sierpień, zużycie jest we wszystkich budynkach najniższe, co dobrze opisuje model [2]. Rozkład rocznego zużycia oparty na liczbie dni w danym kwartale znacznie różni się od rzeczywistego.

Powyższe informacje dotyczące rozkładu zużycia ciepłej wody (równomiernego i zmiennego w ciągu roku) oraz temperatury wody zimnej (stałej i różnej w ciągu roku) zastosowano do przeprowadzenia analizy wpływu metody obliczeniowej na wartość zapotrzebowania na energię użytkową i końcową do przygotowania c.w.u., sprawności tego systemu i zużycia energii końcowej do ogrzewania. Analizy wykonano na danych pomiarowych przedstawiających miesięczne zużycie energii cieplnej dostarczonej do budynku oraz roczne zużycie c.w.u. Porównano wyniki dla czterech wariantów:

• wariant 1: rzeczywiste roczne zużycie c.w.u., rozkład równomierny zużycia c.w.u., stała temp. w.z. (10°C);
• wariant 2: rzeczywiste roczne zużycie c.w.u., rozkład równomierny zużycia c.w.u., zmienna temp. w.z. (zgodnie z rys. 4);
• wariant 3: rzeczywiste roczne zużycie c.w.u., rozkład zużycia c.w.u. wg modelu [2], stała temp. w.z. (10°C);
• wariant 4: rzeczywiste roczne zużycie c.w.u., rozkład zużycia c.w.u. wg modelu [2], zmienna temp. w.z. (zgodnie z rys. 4 ).

Przykładowe wyniki analizy dotyczące wartości zapotrzebowania na energię użytkową w poszczególnych miesiącach roku przedstawione zostały na rys. 7 – na przykładzie budynku I.

Przy założeniu, że odniesieniem jest wariant 4, to wariant 1 oparty na równomiernym rozkładzie zużycia c.w.u. w ciągu roku i stałej temperaturze zawyża zużycie energii w okresie letnim, od 33% w czerwcu do prawie 70% w sierpniu.

Stosunkowo duża różnica w oszacowaniu zużycia energii cieplnej pomiędzy tymi wariantami pojawia się również w styczniu i wynosi 20%, z tym że wariant 1 zaniża wtedy wyniki obliczeń. Na wykresach można również zauważyć, że na wartość zużycia energii cieplnej na potrzeby przygotowania c.w.u. większy wpływ mają zmiany temperatury w przyłączu wody zimnej (wariant 2) niż zmiany w profilu zużycia ciepłej wody w ciągu roku (wariant 3).

W tab. 2 zamieszczono wyniki obliczeń zapotrzebowania na energię użytkową do przygotowania c.w.u. sumarycznie dla miesięcy VI, VII, VIII. Wartości te zestawiono ze zużyciem energii końcowej w budynkach w tych trzech miesiącach. Pozwoliło to wyznaczyć sprawności systemu przygotowania c.w.u. Uzyskane wartości dla poszczególnych metod obliczeniowych znacząco się różnią.

Informację na temat sprawności systemu c.w.u. wykorzystano do obliczenia rocznego zapotrzebowania na energię końcową do przygotowania c.w.u. Dzięki temu obliczono prawdopodobne zużycie energii końcowej do ogrzewania i wyznaczono rzeczywistą charakterystykę energetyczną obiektu w analizowanym sezonie grzewczym. Wyniki zestawiono w tab. 3. Bazowy dla analiz jest wariant, w którym roczne zapotrzebowanie na energię końcową do przygotowania c.w.u. obliczone jest jako wartość wynikająca ze średniego zużycia energii końcowej w miesiącach VI, VII, VIII. Podkreślić należy, że jest to typowa praktyka inżynierska.

Różnice w wynikach dotyczących rocznego zapotrzebowania na energię końcową do przygotowania c.w.u. (Q_K,c.w.u.) są istotne. Wykorzystując założenia zgodne z wariantem 1, uzyskuje się wyniki prawie identyczne jak dla wariantu bazowego.

Przy utrzymaniu stałego rozkładu zużycia c.w.u. i uwzględnieniu zmian temperatury wody wodociągowej różnica w oszacowaniu wartości Q_Kc.w.u. wynosi 20% (odniesiono wyniki wariantu 2 do wariantu bazowego). Skutkuje to wartością EK_c.o. o 13% niższą niż dla wariantu bazowego.

Jeżeli analizy wykona się dla profilu zużycia ciepłej wody zgodnego z modelem [2], co w analizowanych budynkach, jak wykazano na rys. 6, dobrze odzwierciedla rzeczywistość, natomiast temperaturę wody zimnej pozostawi stałą (wariant 3), to różnica w obliczonej wartości Q_K,c.w.u. wynosi 16%.

Zdecydowanie należy się liczyć z tym, że w pewien sposób oba czynniki oddziałują na strukturę zapotrzebowania na energię do przygotowania c.w.u. w ciągu roku (wariant 4), a wartość rzeczywistego zapotrzebowania na energię końcową jest nawet o 41% niższa niż wyznaczona według typowych założeń obliczeniowych (wariant bazowy). Wartość wskaźnika EK_c.o. może być nawet o 38% niższa niż dla wariantu bazowego (według wyników dla budynku III).

Podsumowanie

W artykule przedstawiono dyskusję dotyczącą obliczania zapotrzebowania na energię do przygotowania ciepłej wody użytkowej w budynkach istniejących na podstawie rzeczywistego rocznego zużycia tego medium. Stwierdzono, że wykorzystanie do tego celu, zamiast zużycia rzeczywistego, wartości obliczeniowych może prowadzić do niedokładności. Zaprezentowano alternatywny do przedstawionego w rozporządzeniu [1] model do obliczenia tego zużycia, którego zaletą jest uwzględnienie struktury mieszkaniowej budynku [2, 3]. Stwierdzono również, że ze względu na dokładność analiz do szacowania miesięcznych kosztów zużycia energii i planowania ewentualnych modernizacji systemu konieczna jest znajomość zapotrzebowania na tę energię w poszczególnych miesiącach.

Parametrami definiującymi zapotrzebowanie na energię do przygotowania c.w.u. są zużycie ciepłej wody użytkowej i temperatura wody wodociągowej. Wartości te ulegają wahaniom na przestrzeni roku, co skutkuje zmianami w zapotrzebowaniu na energię niezbędną do tego celu w kolejnych miesiącach roku [2]. Przy czym energia użytkowa określona z uwzględnieniem profilu zmian temperatury wody zimnej jest do 23% niższa w okresie letnim niż określona na podstawie niezmiennej dla całego roku wartości wynoszącej 10°C.

Podobnie jest w przypadku oszacowania zapotrzebowania na energię na podstawie miesięcznego realnego rozkładu zużycia wody ciepłej w porównaniu do rozkładu równomiernego uzależnionego jedynie od liczby dni w miesiącu. Natomiast w przypadku uwzględnienia zarówno profilu zmian zużycia ciepłej wody, jak i zmian temperatury wody zimnej wyniki obliczeń wskazują do 40% mniejsze zapotrzebowanie na energię użytkową w okresie letnim i do 25% większe w okresie zimowym.

Wartość zapotrzebowania na energię końcową do przygotowania c.w.u. określona na podstawie danych pomiarowych z okresu letniego również wykazuje znaczne różnice w zależności od sposobu obliczenia rocznego jej zużycia.

Uwzględniając realny profil zapotrzebowania na ciepła wodę i zmiany wartości temperatury wody zimnej w ciągu roku, uzyskano wynik zapotrzebowania na energię końcową do przygotowania c.w.u. odbiegający o 41% od wartości wynikających ze stałego zużycia wody i temperatury. Bardzo realne jest, że to właśnie ta wartość będzie bliższa rzeczywistości.

Podsumowując, w analizach energetycznych budynków istniejących warto wykorzystywać rzeczywiste dane pomiarowe. Analizy warto wykonywać w częstszym niż rok kroku czasowym. Uwzględnienie profilu zmian zużycia c.w.u. i profilu zmian temperatury wody zimnej znacząco poprawia dokładność analiz. Założenie stałej temperatury wody wodociągowej i stałego zużycia ciepłej wody użytkowej w poszczególnych miesiącach może prowadzić do błędnego oszacowania zapotrzebowania na energię użytkową i końcową do przygotowania c.w.u. Skutkiem jest niewłaściwa wartość szacowanego rzeczywistego zapotrzebowania na energię końcową kierowaną do systemu ogrzewania budynku.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiiącego samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376).
2. Chmielewska A., Modelowanie zapotrzebowania na energię użytkową do przygotowania ciepłej wody w budynkach wielorodzinnych, praca doktorska.
3. Chmielewska A., Szulgowska-Zgrzywa M., Danielewicz J., Domestic hot water consumption in multi-apartment buildings, E3S Web Conf., Volume 17, 2017, 9th Conference on Interdisciplinary Problems in Environmental Protection and Engineering EKO-DOK 2017.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 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 2008, nr 201, poz. 1240).