Wyznaczanie średniej rocznej efektywności energetycznej systemów grzewczych (cz. 2)

Wyniki obliczeń

Opisaną w części pierwszej artykułu metodę obliczeniową zastosowano do trzech rodzajów budynków:

• małego budynku jednorodzinnego o powierzchni użytkowej 101 m² (rys. 1),
• budynku biurowego (rys. 2),
• budynku przemysłowego (rys. 3).

Obliczanie energii użytecznej

Energia użyteczna (zapotrzebowanie na energię w budynku) została obliczona zgodnie z EN 13790 dla budynków położonych w trzech miastach w różnych strefach klimatycznych: Sztokholmie, Brukseli i Wenecji. W tabeli 1 przedstawiono wyniki obliczeń razem z wartościami mocy projektowej, projektowej temperatury powietrza zewnętrznego oraz średniej temperatury powietrza zewnętrznego w sezonie ogrzewczym.

Straty podczas emisji ciepła

Straty spowodowane emisją ciepła z grzejników, ogrzewania podłogowego i systemu konwekcyjnego obliczane są we wszystkich wariantach warunków klimatycznych. Do wyznaczenia strat emisji wykorzystywane jest zapotrzebowanie na energię budynku Q_H, które jest obliczane we wszystkich przypadkach zgodnie z normą EN 13790.

Straty emisji obliczane są przy użyciu tylko jednej z metod podanych w normie EN 15316-2-1 [6]. Straty te są obliczane dla różnych systemów sterowania i różnej temperatury wody zasilającej. Tabela 2 przedstawia wyniki i opis rodzajów systemów.

Obliczenia dostarczonej energii pierwotnej

Wykresy (rys. 4, 5, 6 oraz 7) przedstawiają obliczenia całkowitej energii pierwotnej. W budynku zazwyczaj zużywany jest więcej niż jeden nośnik energii (np. gaz i prąd). Zastosowanie energii pierwotnej umożliwia proste dodawanie różnych rodzajów energii (np. cieplnej i elektrycznej), ponieważ uwzględnia straty, które występują w całym łańcuchu energetycznym. Zużycie energii pierwotnej może być zatem wykorzystywane do porównania różnych rodzajów systemów energetycznych.

Współczynniki konwersji ustalane są na poziomie krajowym. Norma zawiera sugerowane wartości współczynników przeliczeniowych energii pierwotnej. Energia wykorzystywana do różnych celów i pochodząca z różnych paliw jest rozważana oddzielnie. Dla gazu ziemnego współczynnik konwersji wynosi f_p = 1,1, podczas gdy energia elektryczna jest konwertowana za pomocą współczynnika f_p = 2,5[1].

[1] Komentarz tłumacza: W Polsce współczynniki konwersji nazywane są współczynnikami nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii (lub energii) końcowej do ocenianego budynku („wi”), a ich wartości podano w rozporządzeniu 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 ich charakterystyki energetycznej (DzU nr 201/2008, poz. 1240). Dla porównania współczynnik nakładu dla gazu ziemnego wi = 1,1, a dla energii elektrycznej wi = 3,0.

Wyniki zużycia energii pierwotnej w budynku mieszkalnym przedstawiono w postaci wykresów kołowych. W analogiczny sposób pokazano wyniki uzyskane dla innych typów budynków.

Obliczenia dla kotła kondensacyjnego zostały wykonane po przyjęciu wyższego współczynnika konwersji energii, więc „straty wytwarzania ciepła” będą w wielu przypadkach ujemne.

Diagramy przedstawiają rozkład strat dla grzejników i ogrzewania podłogowego w przypadku budynków zlokalizowanych w Brukseli. Rozkład dla innych miast będzie podobny.

Rys. 8 wykonano dla:

• standardowego wodnego systemu podłogowego; temperatura wody zasilającej/powrotnej: 35/28°C, sterowanie on/off (PI);
• grzejników współpracujących z pompą ciepła; temperatura wody zasilającej/powrotnej: 50/35°C, sterownik PI zamontowany na ścianie;
• grzejników współpracujących z kotłem; temperatura wody zasilającej/powrotnej: 77/55°C, sterownik PI zamontowany na ścianie.

Obliczenia przeprowadzono dla trzech różnych źródeł ciepła:

• kocioł (kondensacyjny),
• pompa ciepła powietrze/woda (AWHP),
• gruntowa pompa ciepła (GSHP).

Omówienie wyników

Dokładność przykładowych obliczeń jest bardzo trudna do oszacowania. Każdy krok obliczeń (budynek, system emisji, system dystrybucji i system wytwarzania) wprowadza nową niepewność (dalsze przybliżenia).

Zastosowana metoda nie została zweryfikowana poprzez pomiary terenowe i badania. Byłoby to również bardzo trudne ze względu na wiele niekontrolowanych czynników, takich jak pogoda, specyfikacja budynku, ludzkie zachowania itp. Dane, będące podstawą dla stabelaryzowanych wartości strat emisji, opierają się częściowo na pomiarach wykonanych w komorach testowych i dynamicznych symulacjach komputerowych.

Dla wszystkich elementów systemu przyjęto pewne uproszczenia, dlatego nie uzyskano bardzo dokładnych wartości bezwzględnych. Jednak znaczenie norm polega na dostrzeżeniu względnych różnic oraz na tym, że użytkownik uzyska tę samą wartość, jeśli warunki brzegowe i wartości wejściowe są takie same. Celem artykułu nie była ocena dokładności obliczeń, ale pokazanie, w jaki sposób istniejący zbiór norm może zostać wykorzystany.

Jednym z przykładów jest dom jednorodzinny – żeby wykonać podobne obliczenia indywidualne dla rodziny w wielorodzinnym budynku mieszkalnym, należy zastosować taką samą procedurę, jak w przypadku budynku jednorodzinnego. Wszystkie mieszkania w budynku będą miały prawdopodobnie ten sam system emisji ciepła (grzejniki, ogrzewanie podłogowe), co oznacza dodatkowo, że straty ciepła w systemie emisji będą efektywnie takie same dla wszystkich mieszkań.

W artykule podano tylko przykład metod, które można wykorzystać do obliczania strat emisji ciepła w pomieszczeniach. Zastosowana metoda opiera się na obliczeniu wartości wydajności z tabel zawartych w normie.

Druga metoda wykorzystuje kalkulację wzrostu temperatury w pomieszczeniach ogrzewanych z powodu stratyfikacji i dokładności sterowania w porównaniu do systemu idealnego. Dodatkowa strata emisji ciepła obliczana jest za pomocą EN 13790 i podwyższonej temperatury pokojowej jako danej wejściowej. Obie metody wymagają zastosowania zawartych w normach stabelaryzowanych danych wejściowych.

Ciepło oraz energia pomocnicza potrzebna do działania systemu emisji ciepła zostały obliczone za pomocą czterech różnych metod, które zaproponowano w projekcie normy europejskiej prEN 15316-2.1. Badano dwa rodzaje systemów: grzejniki konwekcyjne oraz ogrzewanie podłogowe z dwoma rodzajami regulacji temperatury.

W przypadku ogrzewania podłogowego najważniejszym czynnikiem są straty ciepła w dół – do gruntu lub pomieszczeń nieogrzewanych (5%). Straty te można ograniczyć, zwiększając izolacyjność termiczną. W porównaniu do ogrzewania z grzejnikami dodatkowe straty są równoważone przez bardziej równomierny rozkład temperatury. Efektywność energetyczna systemu regulacji jest w obu przypadkach podobna. Ogrzewanie podłogowe powoduje w sumie nieco wyższe dodatkowe straty emisji niż ogrzewanie z grzejnikami.

Straty dystrybucji zależą w dużym stopniu od temperatury czynnika ogrzewczego i umiejscowienia przewodów rozprowadzających w strefie ogrzewanej, co oznacza, że można je odzyskać. W obecnych obliczeniach wodny system ogrzewania podłogowego o temperaturze od 35 do 28°C jest przyrównany do systemu z grzejnikami o temperaturze od 70 do 55°C.

Powoduje to występowanie większych strat ciepła w systemie z grzejnikami. Z drugiej strony dodatkowe straty z pompy obiegowej są większe dla systemu ogrzewania podłogowego z powodu mniejszej różnicy pomiędzy temperaturą zasilania i powrotu. Jeżeli grzejniki pracują w niższym zakresie temperatury (55–45°C), straty cieplne będą mniejsze, a wzrosną straty pomocnicze. Straty cieplne są jednak bardziej znaczące – niektóre z nich mogą być odzyskane w przypadku odcinków rur znajdujących się w przestrzeni ogrzewanej.

Metodą najbardziej zaawansowaną, biorącą pod uwagę powyższe rozważania, byłoby ponowne obliczenie energii użytecznej (energii netto) w budynku (EN 13790) z uwzględnieniem odzyskanych strat ciepła z systemu dystrybucyjnego w wewnętrznych obciążeniach cieplnych.

Szczególnie w przypadku ogrzewania podłogowego zalecane jest stosowanie elektronicznie sterowanej pompy w celu zmniejszenia strat energii pomocniczej. W normie dotyczącej określania strat przesyłu (EN 15316-2.3) podano jeszcze bardziej szczegółowy sposób, który można wykorzystać.

Najbardziej efektywne z punktu widzenia całkowitego zużycia energii pierwotnej jest ogrzewanie niskotemperaturowe podłogowe. Normy i metody przedstawione w niniejszym artykule nie są jednolicie stosowane przez wszystkie państwa europejskie. Norma do obliczenia zapotrzebowania na energię w budynku (EN 13790) jest stosowana w prawie wszystkich krajach, ale w zakresie wyznaczania rocznego zużycia energii przez systemy istnieją znaczne różnice.

W niektórych krajach nie są brane pod uwagę różnice w emisji ciepła i jego przesyle (dystrybucji), ale uwzględnia się ogólny współczynnik sprawności w zależności od systemu wytwarzania ciepła. Z kolei w innych krajach stosowane są metody szczegółowe, takie jak przedstawione w niniejszym artykule.

Istnieje pewna różnica zdań pomiędzy podmiotami odpowiedzialnymi za zalecenia krajowe na temat tego, jak szczegółowe powinny być obliczenia. Jeśli metoda jest mniej szczegółowa, nie można ocenić nowych rozwiązań o dużej efektywności energetycznej. Natomiast jeśli jest zbyt szczegółowa, może okazać się zbyt skomplikowana dla wielu użytkowników, a niezbędne parametry wejściowe mogą nie być dostępne.

Dyrektywa w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (EPBD) została właśnie zmieniona [tekst nowej dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków ukazał się 18 czerwca 2010 r. w Dzienniku Urzędowym UE – przyp. tłum.]. W znowelizowanej wersji położono większy nacisk na korzystanie z norm Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego (CEN), a w opracowaniu jest nowy mandat dla CEN umożliwiający zmianę norm. W przyszłości zapewne coraz więcej metod krajowych opartych będzie na normach CEN.

Wnioski

Przedstawiona analiza wykazuje, że straty ciepła systemu ogrzewczego powodują zwiększenie energii użytecznej o dodatkowe 10–20%. Ponadto wielkość tych strat jest różna w przypadku poszczególnych systemów emisji ciepła (dostarczania ciepła do przestrzeni ogrzewanej). Wykazano, że systemy płaszczyznowe, takie jak ogrzewanie podłogowe, charakteryzują się wyższymi stratami, jeśli są stosowane w podłodze na gruncie.

Pokazano, że systemy ogrzewcze o wyższej temperaturze nośnika ciepła, jak w przypadku tradycyjnych grzejników, charakteryzują się wyższymi stratami podczas dystrybucji ciepła i jego wytwarzania. Dodatkowe straty energii powodowane przez pompy obiegowe i generatory okazały się niewielkie w porównaniu do strat cieplnych.

Wykazano, że systemy niskotemperaturowe, np. system ogrzewania podłogowego, charakteryzują się największą efektywnością energetyczną.

Tłumaczenie Joanna Rucińska

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. EN15316-2.1-2007 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania zapotrzebowania na energię instalacji i sprawności instalacji. Część 2-1: Instalacje emisji ciepła.
7. EN15316-2.3-2007 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania zapotrzebowania na energię instalacji i sprawności instalacji. Część 2-3: Instalacje rozprowadzania ciepła.
8. CEN prEN15316-4.1-2005 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania zapotrzebowania na ciepło i oceny sprawności instalacji. Część 4-1: Źródła ciepła do ogrzewania miejscowego, kotły.