Wyznaczanie średniej rocznej efektywności energetycznej systemów grzewczych (cz. 1)

W 2003 r. Komisja Europejska wydała dyrektywę 2002/91/WE [1] (tzw. EPBD)[1], której celem jest promowanie w krajach Wspólnoty Europejskiej poprawy charakterystyki energetycznej budynków, oczywiście z uwzględnieniem specyficznych aspektów: klimatu zewnętrznego, lokalnych warunków i wymagań wobec klimatu wewnętrznego, a także opłacalności inwestycji i eksploatacji.

Dyrektywa dotyczy wykorzystania energii, ale w analizie nie uwzględnia się całego cyklu zapotrzebowania na energię, pomijana jest np. energia wykorzystywana do produkcji i zbywania produktów zastosowanych w budynku. W przypadku nowych i istniejących budynków wymagane jest wyznaczenie charakterystyki energetycznej z uwzględnieniem energii niezbędnej do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia i oświetlenia przeliczonej na energię pierwotną.

Każdy budynek[2] musi mieć świadectwo energetyczne, również systematycznie muszą być kontrolowane systemy ogrzewania, chłodzenia i wentylacji. Dyrektywa EPBD nakłada na wszystkie kraje członkowskie obowiązek wdrożenia jej zapisów w prawie budowlanym lub w odpowiednich normach na poziomie krajowym do stycznia 2006 r. Do tej pory wymagania te zostały w pełni wdrożone tylko w niewielu krajach.

Ujednolicone normy

Komisja Europejska zleciła Europejskiemu Komitetowi Normalizacji (CEN) opracowanie i przyjęcie zgodnych z dyrektywą EPBD standardów metodologii oraz sposobów obliczania charakterystyki energetycznej budynków i szacowania wpływu na środowisko (M343­‑EN-2004 [2]).

W celu skoordynowania standaryzacji wymagań wprowadzonych dyrektywą CEN powołał specjalny Komitet Zadaniowy EPBD, w skład którego weszły następujące Komitety Techniczne (TC): TC 89 – Efektywności energetycznej budynków i komponentów budowlanych; TC156 – Wentylacji budynków; TC169 – Światła i oświetlenia; TC228 – Systemów ogrzewania w budynkach; TC247 – Automatyki, sterowania w budynkach oraz zarządzania budynkiem.

Normy opracowane w ramach powyższego projektu powinny stworzyć kompleksową i elastyczną metodykę obliczania zużycia energii i strat w systemach ogrzewania, chłodzenia, wentylacji, przygotowania ciepłej wody użytkowej i systemów oświetleniowych, z uwzględnieniem naturalnego oświetlenia, biernych systemów pozyskiwania energii promieniowania słonecznego (tzw. systemów pasywnych), systemów biernego chłodzenia, położenia i orientacji, automatyki i sterowania oraz wszelkich instalacji pomocniczych niezbędnych do zapewnienia komfortu wewnętrznego.

Wybrana metodyka powinna łączyć, tam, gdzie jest to możliwe, pozytywne efekty zastosowania aktywnych systemów wykorzystujących promieniowanie słoneczne, pozyskiwania ciepła i wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych oraz kogeneracji (np. wytwarzania energii i ciepła w systemach skojarzonych w elektrociepłowniach i mikroelektrociepłowniach) w systemach ciepłowniczych i chłodniczych.

Metodyka ta powinna również ułatwić ocenę wpływu zużycia energii pochodzącej z określonego źródła na środowisko i dostarczyć danych wymaganych do przeprowadzania standardowych ocen ekonomicznych zastosowania różnych systemów.

Omawiany pakiet norm (ok. 40) został zaakceptowany jako finalny. Pierwotnym celem podjęcia tych działań było ustalenie w Europie jednolitych metod obliczeniowych do określania charakterystyki energetycznej budynków oraz systemów grzewczych i klimatyzacyjnych (HVAC). 

Niestety, cel ten nie został osiągnięty, ponieważ prace normalizacyjne rozpoczęto zbyt późno i kilka krajów zdążyło już wcześniej przyjąć własne metody obliczeniowe. Z tego względu niektóre normy nie uwzględniają sposobów alternatywnych, co oznacza, że ocena efektywności energetycznej tego samego systemu może być odmienna w różnych krajach.

Efektywność energetyczna systemów grzewczych

Podstawowa norma służąca do obliczania zapotrzebowania na energię w budynku – EN ISO 13790 [3] – to centralny punkt procesu obliczeniowego. Do wykonania obliczeń niezbędne są dane wejściowe dotyczące: określenia klimatu wewnętrznego, obciążenia wewnętrznego, właściwości budynku i warunków klimatycznych. Istnieją już normy i metody służące do opracowywania tych danych.

Przy obliczaniu zapotrzebowania na energię budynku nie jest brany pod uwagę system ogrzewczo-wentylacyjny z chłodzeniem[3]. Wyznaczone zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i wentylacji budynku jest podstawą do obliczania zapotrzebowania na energię całego systemu.

Dodatkowe straty ciepła wyznacza się w przypadku rozpraszania ciepła w pomieszczeniach podczas jego dystrybucji, magazynowania i wytwarzania. Pomocniczą energię elektryczną, która jest niezbędna do napędu wentylatorów, pomp itp., również należy uwzględnić w obliczeniach.

Wpływ systemu sterowania na efektywność energetyczną uwzględniono w zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia i oświetlenia budynku oraz w stratach energii spowodowanych nieoptymalną regulacją. Z drugiej strony, zgodnie z zapisami normy EN 15232 [4][4] należy również brać pod uwagę dodatkowe oszczędności energii uzyskane właśnie dzięki zastosowaniu systemów automatycznej regulacji (ogrzewanie, chłodzenie, wentylacja, urządzenia elektryczne, światło itp.).

Wynik obliczeń (rys. 1) wyznacza energię użyteczną (zapotrzebowanie na energię w budynku) wraz z energią niezbędną do ogrzewania/chłodzenia powietrza dla systemów HVAC, z uwzględnieniem energii pomocniczej. Energia końcowa dostarczana do budynku lub systemu może zostać obliczona poprzez dodanie energii wymaganej dla wszystkich systemów, w tym oświetlenia. Energia końcowa zostanie przeliczona na energię pierwotną z uwzględnieniem odnawialnych źródeł energii i krajowych współczynników konwersji.[5])

Algorytm obliczeń składa się z trzech podstawowych kroków, w których wyznaczana jest kolejno: energia użyteczna (netto, czyli zapotrzebowanie na energię w budynku), zapotrzebowanie na energię końcową (zapotrzebowanie energetyczne systemu) oraz przeliczenie zapotrzebowania na energię pierwotną. Energia końcowa uwzględnia straty w wyniku rozpraszania ciepła, jego dystrybucji i systemów wytwarzania.

Straty ciepła w systemie emisji

Za straty związane z rozpraszaniem ciepła odpowiadają trzy czynniki, a mianowicie: nierównomierny rozkład temperatury, straty od urządzeń wchodzących w skład instalacji ogrzewczej oraz straty spowodowane niedoskonałą regulacją temperatury wewnętrznej (EN 15316-2.1 [6][6]):

gdzie:
Q_em,str – straty spowodowane nierównomiernym rozkładem temperatury w przestrzeni ogrzewanej [J],
Q_em,emb – straty spowodowane lokalizacją grzejnika (np. grzejnik obudowany) [J],
Q_em,ctr – straty spowodowane niedoskonałością regulacji temperatury wewnętrznej [J].

Norma zaleca do stosowania dwie metody obliczeniowe. Chociaż nie gwarantują one uzyskania tych samych wyników, to są zgodne co do zasady. Jednak nie mogą być łączone.

Metoda oparta na efektywności systemu emisji ciepła

Średnia, miesięczna lub dotycząca innego okresu obliczeniowego wartość dodatkowych strat ciepła spowodowanych niedoskonałym rozpraszaniem (emisją) ciepła Qem,ls wyznaczana jest zgodnie z równaniem:

gdzie:
Q_em,ls – dodatkowe straty ciepła spowodowane niedoskonałym rozpraszaniem (emisją) ciepła (w okresie obliczeniowym) [kWh],
Q_H – ciepło użyteczne do ogrzewania (w okresie obliczeniowym, EN ISO 13790) [kWh],
f_hydr – współczynnik sposobu regulacji przepływu,
f_int – współczynnik uwzględniający pracę urządzenia ogrzewczego z przerwami (jako tryb pracy z przerwami rozumiana jest zmienna w czasie indywidualna redukcja temperatury w każdym ogrzewanym pomieszczeniu),
f_rad – współczynnik uwzględniający wymianę energii przez promieniowanie (tylko w odniesieniu do ogrzewania przez promieniowanie),
h_em – całkowita efektywność rozpraszania ciepła w ogrzewanym pomieszczeniu.

Całkowitą efektywność rozpraszania ciepła h_em można wyrazić następującą zależnością:

gdzie:
h_str – część składowa efektywności całkowitej rozpraszania (emisji) ciepła wynikająca z pionowego rozkładu temperatury w pomieszczeniu,
h_ctr – część składowa efektywności całkowitej rozpraszania (emisji) ciepła wynikająca z jakości regulacji miejscowej,
h_emb – część składowa efektywności całkowitej rozpraszania ciepła wynikająca z indywidualnych strat komponentów zewnętrznych (systemy wbudowane).

Dodatkowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania (straty ciepła) w ciągu roku spowodowane rozpraszaniem (emisją) ciepła w przestrzeni ogrzewanej wyznaczane jest jako suma strat w poszczególnych okresach:

gdzie:
Q_em,ls,a – roczne straty emisji ciepła [kWh],
Q_em,ls – straty emisji ciepła (w rozpatrywanym okresie) zgodnie z równaniem (2) [kWh].

Domyślne wartości różnych efektywności i współczynników można znaleźć w załączniku informacyjnym do normy. Część z nich wyznaczono eksperymentalnie i/lub za pomocą symulacji komputerowych, inne zaś określono szacunkowo. Przykłady wartości zawartych w załącznikach podano w tabelach 1, 2 oraz tab. 3.

Przykład 1. Źródło ciepła – ogrzewanie płaszczyznowe (grzejnik w ścianie zewnętrznej), przegrzanie 42,5 K, regulator typu P (zakres proporcjonalności 2 K).

Współczynnik pracy z przerwami: 
f_int = 0,97.

Współczynnik wymiany ciepła przez promieniowanie: f_rad = 1,0.

Średnia wartość h_emb ma zostać wyznaczona na podstawie najważniejszych parametrów mających wpływ na „system” oraz „specyficzne straty ciepła z powierzchni 1, na której element ogrzewczy został zamontowany”:

Przykład 2. Ogrzewanie podłogowe – system wodny, regulator dwustopniowy, ogrzewanie podłogowe o wysokim stopniu izolacyjności termicznej.

Współczynnik pracy z przerwami: 
f_int = 0,98.

Współczynnik wymiany ciepła przez promieniowanie: f_rad = 1,0.

Współczynnik zrównoważenia hydraulicznego: f_hydr – taki sam, jak dla grzejników (tab. 2). 

Metoda z zastosowaniem równoważnego wzrostu temperatury wewnętrznej 

Wzrost temperatury powietrza wewnętrznego spowodowany jest:

• gradientem ze względu na stratyfikację w zależności od źródła,
• zmianą wynikającą z regulacji, w zależności od możliwości urządzenia sterującego, w celu zapewnienia jednorodnej i stałej temperatury.

Równoważna temperatura wewnętrzna qint,inc wyznaczana jest z uwzględnieniem sposobu emisji:

gdzie:
q_int,ini – początkowa temperatura powietrza wewnętrznego [°C],
D_qstr – gradient temperatury [°C],
D_qctr – zmiana związana z możliwościami regulacyjnymi urządzenia sterującego [°C].

Wpływ równoważnego wzrostu temperatury wewnętrznej systemu emisji ciepła można obliczyć dwoma sposobami:

• mnożąc wyznaczone zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania (Q_H) przez współczynnik zależny od stosunku równoważnego wzrostu temperatury wewnętrznej D_qint,inc do średniej w sezonie ogrzewczym różnicy pomiędzy temperaturą powietrza wewnętrznego i zewnętrznego:

• przez przeliczenie wymagań energetycznych budynków (zgodnie z EN ISO 13790) przy zastosowaniu równoważnej podwyższonej temperatury wewnętrznej jako temperatury zadanej w strefie o regulowanej temperaturze. Ta druga metoda jest dokładniejsza.

Średnia wartość h_str ma zostać określona na podstawie głównych parametrów wpływających na „przegrzanie” i „specyficzne straty ciepła zewnętrznych komponentów”:

Straty ciepła w systemie dystrybucji

Straty ciepła w systemie dystrybucji zależą od średniej temperatury czynnika ogrzewczego, temperatury otoczenia, długości i izolacji rur (EN 15216-2.3 [7]). Do wyznaczania strat ciepła w danym kroku czasowym stosuje się zależność:

gdzie:
U’ – liniowy współczynnik przenikania ciepła [W/(mK)],
J_m – średnia temperatura nośnika ciepła w rozważanym odcinku sieci rozprowadzającej [°C],
J_a – temperatura otoczenia [°C],
L – długość odcinka sieci rozprowadzającej [m],
t_H – liczba godzin ogrzewania w przyjętym kroku czasowym [h].

Norma podaje trzy sposoby obliczeń. Szczegółowa metoda opisana powyższym równaniem jest najdokładniejsza. Wymaga jednak podania wielu danych, które należy zaczerpnąć z dokumentacji projektowej.

Norma zawiera też metodę uproszczoną, do wykorzystania której potrzeba niewielu danych wejściowych, np. długość przewodów szacowana jest na podstawie wymiarów zewnętrznych budynku. Straty energii obliczone zgodnie z tą metodą są wyższe w porównaniu do wyników uzyskiwanych za pomocą metody szczegółowej. Podano również metodę tabelaryczną opartą na metodzie uproszczonej, w której przyjęto nawet dalej idące przybliżenia.

Metoda obliczania zapotrzebowania na energię elektryczną do napędu pomp składa się z dwóch etapów. Najpierw wyznacza się warunki hydrauliczne w systemie dystrybucji, a następnie współczynnik wydatku energetycznego pompy. 

W tej części możliwe jest połączenie metody szczegółowej z uproszczoną. Na przykład straty ciśnienia i przepływ masowy można obliczyć za pomocą sposobu szczegółowego, a współczynnik wydatku energetycznego może być obliczony zgodnie z metodą uproszczoną lub na odwrót. Metoda obliczeń może być stosowana w dowolnym okresie obliczeniowym (dzień, miesiąc lub rok). Szczegóły dotyczące obliczeń można znaleźć w normie.

Straty ciepła w systemie wytwarzania

W artykule przy obliczaniu straty systemu wytwarzania uwzględniono tylko kotły (EN 15316-4.1 [8]). Istnieją odrębne normy dotyczące systemów wytwarzających ciepło, takich jak pompy ciepła, kogeneracja, centralne ogrzewanie, ogrzewanie słoneczne i systemy spalania biomasy. We wspomnianej normie w odniesieniu do kotłów przewidziano dwa rodzaje metod obliczeniowych: ogólną i szczegółową.

W metodzie ogólnej okresem obliczeniowym jest sezon ogrzewczy. Obliczenia opierają się na danych podawanych zgodnie z dyrektywą dotyczącą kotłów. Warunki pracy uwzględniające klimat, system dystrybucji podłączony do głównego źródła ciepła itd. są przybliżone poprzez typologię badanego regionu i nie odnoszą się do konkretnego przypadku.

Jeśli metoda ta ma być stosowana, dostępny musi być właściwy aneks krajowy z odpowiednimi wartościami. Metoda ma zastosowanie tylko do kotłów, dla których zgodnie z dotyczącą ich dyrektywą dostępne są wartości sprawności przy pełnym i 30-proc. obciążeniu. Są to wartości efektywności netto (najwyższe wartości efektywności odniesione do niższej wartości opałowej paliw). 

Istotne jest, że dostępne są oba wyniki i że testy są odpowiednie dla danego typu kotła zgodnie z definicją zawartą w dyrektywie, inaczej obliczenia nie mogą zostać przeprowadzone. Zgodnie z procedurą dane są najpierw przeliczane na całkowitą efektywność (mniejsze wartości efektywności odniesione do wyższej wartości opałowej paliw) w warunkach testowych, a następnie przeliczane na sezonową efektywność, która ma zastosowanie w typowych warunkach użytkowania w mieszkaniach.

Metoda szczegółowa również opiera się na danych związanych z dyrektywą dotyczącą kotłów, ale konieczne są dane uzupełniające, by uwzględnić specyficzne warunki pracy poszczególnych instalacji. Za okres obliczeniowy można przyjąć sezon ogrzewczy, ale może nim być również krótszy okres (miesiąc, tydzień lub inne okresy pracy zgodnie z EN ISO 13790). 

Metoda ta nie jest ograniczona i może być używana z wartościami domyślnymi podanymi w załączniku informacyjnym B do normy. Opiera się ona na wyrażaniu strat dla trzech różnych wskaźników obciążenia lub mocy:

• straty przy obciążeniu 100% (F_gn;l,Pn);
• straty przy średnim obciążeniu (F_gn;l,P int);
• straty przy braku obciążenia (0%) (F_gn;l,Po).

Straty dla określonego obciążenia uzyskuje się poprzez interpolację liniową pomiędzy tymi trzema wartościami mocy. Wydajność dla kotłów gazowych i olejowych mierzona jest zgodnie z dyrektywą dotyczącą kotłów, tj. przy pełnym obciążeniu ze średnią temperaturą wody w kotle 70°C. Sprawność ta powinna zostać skorygowana pod względem temperatury pracy poszczególnych instalacji.

Trzecia metoda wyraźniej rozróżnia straty źródła, które występują w cyklu pracy kotła (tj. straty spalania). Niektóre parametry można mierzyć na miejscu. Metoda ta jest odpowiednia dla istniejących budynków.

Tłumaczenie Joanna Rucińska

Część 2 – w RI 7–8

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady nr 2002/91/WE z dnia 16 grudnia 2002 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.
2. CEN M 343-EN-2004. Upoważnienie dla CEN, CENELEC i ETSI do opracowania i przyjęcia standardów metodologii obliczania zintegrowanej charakterystyki energetycznej budynków oraz szacowania wpływu na środowisko zgodnie z warunkami określonymi w dyrektywie 2002/91/WE.
3. EN 13790-2007 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia.
4. EN 15232-2007 Energetyczne właściwości budynków. Wpływ automatyzacji, sterowania i technicznego zarządzania budynkami.
5. EN 15316-1-2007 Systemy ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania zapotrzebowania na energię i sprawności systemów. Część 1: Wymagania ogólne.
6. EN 15316-2.1-2007 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania zapotrzebowania na energię instalacji i sprawności instalacji. Część 2-1: Instalacje emisji ciepła.
7. EN 15316-2.3-2007 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania zapotrzebowania na energię instalacji i sprawności instalacji. Część 2-3: Instalacje rozprowadzania ciepła.
8. CEN prEN 15316-4.1-2005 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania zapotrzebowania na ciepło i oceny sprawności instalacji. Część 4-1: Źródła ciepła do ogrzewania miejscowego, kotły.