Analiza i wybór źródła grzewczego przygotowującego ciepłą wodę z wykorzystaniem energii odnawialnej

Budownictwo pasywne i o niskim zapotrzebowaniu na energię

Istotą budownictwa niskoenergetycznego i pasywnego są rozwiązania charakteryzujące się znacznym zakresem redukcji potrzeb energetycznych, pokrywanych głównie z energii odnawialnej. Dotyczy to zarówno biernego, jak i aktywnego sposobu jej wykorzystania.Żeby to osiągnąć w zakresie potrzeb grzewczych i związanych z wentylacją przegrody zewnętrzne budynku oraz system wentylacji powinny być tak zaprojektowane, aby wskaźnik jednostkowego rocznego zapotrzebowania na energię użytkową został ograniczony do poziomu 15 kWh/(m² rok).Takie wymagania dla budynku pasywnego przyjmowane są za Instytutem Budownictwa Pasywnego w Darmstadt [1] w wielu krajach Europy.

Gdy w wyniku wielu podejmowanych zabiegów drastycznie obniżone zostaje sezonowe (roczne) zapotrzebowanie na energię do ogrzewania, okazuje się, że następnym istotnym składnikiem potrzeb energetycznych budynku jest zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej.

W literaturze znaleźć można wiele prac, np. [2, 3], wskazujących kierunki udoskonalania budynków oraz opisujących drogi poszukiwania zoptymalizowanych rozwiązań na danym etapie rozwoju budownictwa, spełniających kryteria ekonomiczne, energetyczne i środowiskowe. Mniej uwagi poświęca się przygotowaniu ciepłej wody w budynkach, w których źródła ciepła pracują zwykle zarówno na potrzeby ogrzewania, jak i przygotowania ciepłej wody.

Celem artykułu było przeprowadzenie analiz służących dokonaniu wyboru układu źródła ciepła i współpracujących z nim instalacji korzystających z odnawialnych źródeł energii dla domu o niskim zapotrzebowaniu na energię.

Analizy dotyczyły głównie efektywności energetycznej rozwiązań i uwzględniały także aspekty ekonomiczne.

Zakładano, że w wyniku zastosowania właściwie dobranych źródeł energii odnawialnej oraz odpowiednio zwymiarowanych instalacji z nich korzystających zostaną osiągnięte nie tylko pozytywne efekty energetyczne, ale również rozwiązania te będą się charakteryzować korzystną efektywnością ekonomiczną i dobrymi wskaźnikami ekologicznymi.

Przed przystąpieniem do analiz próbowano ocenić relacje pomiędzy zakresem sezonowego zapotrzebowania na energię do ogrzewania i rocznego zapotrzebowania na energię do przygotowania ciepłej wody na poziomie energii użytkowej.

Jak widać na rys. 1, dla budynku pasywnego jednostkowe średnioroczne zapotrzebowanie na energię na ogrzewanie wynosi 15 kWh/(m² rok).

Budynki, dla których ten wskaźnik jest większy od 15, a mniejszy od 60 kWh/(m2 rok), zaliczamy do budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię. Całkowite jednostkowe roczne zapotrzebowanie na energię w budynku pasywnym nie przekracza 50 kWh/(m² rok). Uwzględnia ono zarówno ogrzewanie, przygotowanie ciepłej wody, wentylację, jak i inne potrzeby gospodarstwa domowego. Dla porównania w budynku istniejącym całkowite jednostkowe zapotrzebowanie na energię przekracza 250 kWh/(m²rok).

Założenia i analiza oraz opis badanego budynku energooszczędnego

Przeprowadzono obliczenia projektowego obciążenia cieplnego dla ogrzewania oraz analogicznie obliczenia zapotrzebowania na moc do przygotowania ciepłej wody dla budynku jednorodzinnego o niskim zapotrzebowaniu na energię, przeznaczonego dla pięciu osób.

Przyjęto, że obiekt zlokalizowany jest na przedmieściach Krakowa. Silnie przeszklona główna elewacja budynku skierowana jest na południe.

Założono, że dom jest wyposażony w wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła, ma też przegrody o niższych, niż wymagają tego aktualne przepisy, współczynnikach przenikania ciepła U.

Wyniki przeprowadzonych obliczeń projektowych strat ciepła oraz wiążącej się z tym wielkości sezonowego zapotrzebowania na energię do ogrzewania budynku zostały zestawione w skróconej tabeli zbiorczej (tab. 1).

Dla zredukowanych wprawdzie potrzeb budynku w zakresie ogrzewania (projektowe zapotrzebowanie na moc 5,4 kW) konieczne jest nadal wykonanie instalacji centralnego ogrzewania i zaplanowanie źródła pracującego na potrzeby grzewcze. Ważnym aspektem, wpływającym na oceny ekologiczne i ekonomiczne, staje się w takim przypadku wybór podstawowego źródła grzewczego oraz wspomagających go instalacji korzystających z energii odnawialnej.

Przyjęto, że źródłem tym może być kocioł korzystający z różnych rodzajów paliw, pracujący także na potrzeby ciepłej wody. W celu ograniczenia zużycia paliw kopalnych oraz emisji zanieczyszczeń do środowiska przyjęto, że to podstawowe źródło będzie współpracować z instalacjami korzystającymi z OZE: małą turbiną wiatrową o pionowej osi obrotu oraz kolektorami słonecznymi dla wspomagania przygotowania ciepłej wody.

Odnawialne źródła energii i c.w.u.

Dla zwymiarowania zapotrzebowania na moc i energię do przygotowania ciepłej wody wyznaczono średniodobowe zapotrzebowanie na c.w.u. dla pięciu osób zamieszkujących dom jednorodzinny:

Na podstawie dobowego zapotrzebowania na c.w.u. obliczono średniodobowe zapotrzebowanie na energię użytkową do przygotowania danej ilości ciepłej wody:

Wyznaczone zostało również średnie zapotrzebowanie na moc na poziomie użytkowania, jaka musi być przewidziana do pokrycia zapotrzebowania na c.w.u.:

W celu oceny maksymalnego (uśrednionego do jednej godziny) zapotrzebowania na moc potrzebną do podgrzewania wody wyznaczono wielkość godzinowego współczynnika nierównomierności rozbioru ciepłej wody dla pięciu osób:

a następnie obliczono pojemność zasobnika o pełnej akumulacyjności, korzystając ze znanej zależności:

W oparciu o przeprowadzone obliczenia dobrano zasobnik c.w.u. o pojemności 375 dm³.

Obliczone zapotrzebowanie na moc będzie pokrywane tylko w pewnym zakresie przez odnawialne źródła energii, a w przypadku ekstremalnych warunków pogodowych i niewystarczającej mocy instalacji korzystających ze źródeł odnawialnych całkowite zapotrzebowanie na moc do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody będzie pokrywane przez kocioł.

Korzystając z danych meteorologicznych dla roku referencyjnego i przyjętych wielkości i charakterystyk kolektorów słonecznych oraz małej siłowni wiatrowej, obliczono średnie wielkości mocy pozyskiwanych z przyjętych instalacji energii odnawialnej.

Wyniki obliczeń dowodzą, że dwie instalacje korzystające z OZE – kolektorów i turbiny wiatrowej – doskonale się uzupełniają:

• w miesiącach zimowych, gdy ilość energii pozyskiwanej z kolektorów słonecznych jest niska, jej niedobór uzupełniany jest przez turbinę wiatrową, gdyż w tym czasie dominują dni wietrzne;
• w miesiącach letnich przeważa energia pozyskiwana z kolektorów słonecznych, wówczas tylko niewielkim ich uzupełnieniem jest turbina wiatrowa.

Współpracujące odnawialne źródła energii byłyby w stanie niemal w 100% pokryć zapotrzebowanie dla domku jednorodzinnego, co przedstawiono na rys. 2, gdyby w układzie zasobnika ciepłej wody, przewodów instalacji ciepłej wody oraz przewodów układu obiegu pierwotnego systemu solarnego nie występowały straty. W rzeczywistości straty te często sprawiają, że efektywnie do ciepłej wody dostarczane jest niewiele ponad 50% energii pozyskiwanej przez instalację solarną. Trochę lepiej sytuacja wygląda w odniesieniu do energii wytworzonej przez grzałkę elektryczną umieszczoną w zasobniku, zasilaną z małej siłowni wiatrowej.

Dobór kotła

Analiza wyboru podstawowego źródła w postaci kotła została oparta na obliczeniu zapotrzebowania na energię końcową i pierwotną.

Projektowa moc kotła musi pokryć całkowite zapotrzebowanie na moc w najbardziej niekorzystnych warunkach.

W analizie uwzględniono pięć wariantów doboru kotła (rys. 3).

Dokonując wyboru kotła, nie można pominąć ocen ekonomicznych uwzględniających nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacyjne źródła dla danego wariantu. Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne kotłów wraz z kosztem napędu urządzeń pomocniczych przedstawiono na rys. 4.

Podsumowanie

W analizowanym budynku o niskim zapotrzebowaniu na energię współpracujące dwie instalacje korzystające z odnawialnych źródeł energii dla wspomagania przygotowania c.w.u. nie są w stanie w skali roku całkowicie pokryć zapotrzebowania na energię do przygotowania ciepłej wody użytkowej dla pięcioosobowej rodziny. Jednak zapotrzebowanie to może być pokryte energią odnawialną w ponad 60%, przyczyniając się do wyraźniej poprawy wielkości wskaźnika jednostkowego zapotrzebowania na energię pierwotną EP.

Zastosowanie proponowanych instalacji do wspomagania podgrzewania ciepłej wody w obiekcie o ustalonym zapotrzebowaniu pozwala również istotnie zredukować koszty paliwa.

Mając na uwadze jakość energetyczną obiektu, należy dokonać odpowiedniego wyboru kotła, stanowiącego podstawowe źródło dla ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody.

Z punktu widzenia tej jakości najlepszym wyborem jest kocioł na biomasę – wariant taki charakteryzuje się najniższą wartością wskaźnika EP. Jednak pod względem ekonomicznym kocioł ten nie jest już tak korzystnym rozwiązaniem.

Najmniej kosztowny będzie kocioł węglowy, ale mając na uwadze regulacje prawne ograniczające eksploatację takich kotłów oraz niski komfort użytkowania tego źródła, trudno go uznać za rozwiązanie korzystne.

Wybór kondensacyjnego kotła gazowego to rozsądny kompromis pomiędzy ekonomią a ekologią. Wyboru źródła dokonuje ostatecznie użytkownik, kierując się głównie kryteriami ekonomicznymi i komfortem eksploatacji.

Artykuł powstał na podstawie referatu przygotowanego na II Ogólnopolską Konferencję Naukową OSA, 20–21 kwietnia 2016 r., Kraków.

Literatura

1. Feist W., Münzenberg U., Thumulla J., Podstawy budownictwa pasywnego, Polski Instytut Budownictwa Pasywnego, 2009.
2. Rylewski E., Energia własna, Tinta, 2002.
3. www.budownictwopasywne.pl
4. www.passivhaus.de.
5. www.budynkipasywne.pl.
6. Archiwum autora.