Sezonowe zużycie ciepła a efektywność systemu grzewczego

Oszczędna gospodarka paliwami i energią leży w obszarze zainteresowania wielu instytucji, zarówno zajmujących się ich sprzedażą, przesyłem czy dystrybucją, jak i samych odbiorców. Jest to również zadanie administracji publicznej odpowiedzialnej za ten obszar działań. Zagadnienia te wynikają z wymagań przepisów prawnych, do których przede wszystkim należy zaliczyć Prawo energetyczne [1], Prawo ochrony środowiska [2] oraz Prawo budowlane [3].

W różnego rodzaju analizach rozróżnia się modelowe, teoretyczne warunki, uwzględniane w trakcie projektowania czy już później przeprowadzanych obliczeń (np. audyt energetyczny) oraz rzeczywiste, faktycznie obrazujące zachowanie się konkretnego systemu grzewczego w zmiennych warunkach obciążenia cieplnego [4, 5, 6].

Warunki obliczeniowe wynikają z przyjętych przez projektanta założeń i metod analitycznych. Natomiast warunki rzeczywiste są efektem jakości realizacji procesu inwestycyjnego i przyjętych rozwiązań projektowych, odpowiedniego wyregulowania instalacji grzewczych, nastaw układów automatycznej regulacji, serwisowania i dbałości o właściwy stan techniczny urządzeń itp. Ponadto są wynikiem zachowań użytkowników budynku, jak i zmiennych warunków atmosferycznych.

Zastosowanie zatem nawet wysokiej klasy urządzeń nie jest gwarancją uzyskania oczekiwanych oszczędności zużycia ciepła czy jego nośników. Istotna jest właściwa eksploatacja systemu grzewczego, bieżący monitoring i szybkie reagowanie na stwierdzone nieprawidłowości lub odchylenia od pierwotnych założeń.

O ile w zabudowie jednorodzinnej właściciel obiektu bezpośrednio odpowiada za koszty jego eksploatacji (w tym również całości systemu grzewczego), o tyle w budownictwie wielorodzinnym problem jest bardziej złożony. Lokatorzy czy właściciele mieszkań uiszczają opłatę za ciepło i ciepłą wodę użytkową, nie mając bezpośredniego wpływu na sposób eksploatacji źródła ciepła i całości systemu. Mogą jedynie decydować o własnym poborze ciepła (regulacja zaworów grzejnikowych, kontrolowanie ilości zużytej ciepłej wody użytkowej), co jednak nie jest wystarczające, aby uzyskać niski koszt ciepła i wysoką efektywność energetyczną systemu (przeważnie nie mają też odpowiedniej wiedzy).

Zarządca czy właściciel budynku wielorodzinnego jest natomiast zainteresowany przede wszystkim zapewnieniem realizacji funkcji celu systemu grzewczego (tj. zapewnienia odpowiedniej temperatury pomieszczeń i ciepłej wody użytkowej). Mniejsze znaczenie ma koszt jego eksploatacji, gdyż bezpośrednio nie ponosi opłat za ogrzewanie. Uiszczane są one przez mieszkańców. Zarządca poprzestaje na rozliczaniu kosztów zużytego ciepła pomiędzy lokatorów i pobieranie od nich opłat bez wnikania, czy koszt ten jest zasadny.

Zgodnie z wymaganiami określonymi w Prawie energetycznym [1], w przypadku gdy ciepło dostarczane jest z własnych źródeł i instalacji cieplnych, opłatę powinny stanowić koszty zakupu paliw gazowych, energii elektrycznej lub ciepła (art. 45a ust. 5. [1]). Gdy natomiast zarządca jest odbiorcą końcowym ciepła dostarczanego do budynku (jest stroną umowy na dostawę ciepła zawartą z przedsiębiorstwem energetycznym), jest on odpowiedzialny za rozliczenie na poszczególne lokale całkowitych kosztów zakupu (art. 45a ust. 6. [1]).

Dopuszcza się przy tym różne sposoby tego rozliczenia. Ustawa przewiduje, że w przypadku ogrzewania lokali mieszkaniowych i użytkowych, zastosowane mogą zostać metody wykorzystujące [1]:

• wskazania ciepłomierzy,
• wskazania urządzeń wskaźnikowych nie będących przyrządami pomiarowymi w rozumieniu przepisów metrologicznych, wprowadzonych do obrotu na zasadach i w trybie określonych w przepisach o systemie zgodności,
• powierzchnię lub kubaturę tych lokali, a dla wspólnych części budynku wielolokalowego:
• powierzchnię lub kubaturę tych części odpowiednio w proporcji do powierzchni lub kubatury zajmowanych lokali.

W przypadku centralnego przygotowania ciepłej wody użytkowej powinny być natomiast stosowane metody wykorzystujące jako podstawę rozliczeń [1]:

• wskazania wodomierzy ciepłej wody użytkowej zamontowanych w lokalach lub liczbę
• osób zamieszkałych stale w lokalu.

Wyboru metody rozliczenia na poszczególne lokale mieszkalne lub użytkowe budynku wielolokalowego całkowitych kosztów zakupu ciepła dokonuje jego właściciel lub zarządca. Wybrana metoda (wprowadzona w formie regulaminu rozliczeń) powinna uwzględnić też współczynniki wyrównawcze zużycia ciepła na ogrzewanie, wynikające z położenia lokalu w bryle budynku, przy jednoczesnym zachowaniu prawidłowych warunków eksploatacji obiektu. Musi też stymulować energooszczędne zachowania użytkowników instalacji oraz zapewniać ustalenie opłat w sposób odpowiadający zużyciu ciepła [1].

Charakterystyka energetyczno-środowiskowa

Coraz większe znaczenie mają różnego typu analizy oddziaływania obiektów budowlanych na środowisko. Służą one ocenie możliwości ograniczenia zużycia zasobów naturalnych, w tym pierwotnych nośników energii oraz redukcji emisji zanieczyszczeń. Chociaż faza wznoszenia budynku (w tym przyjęte rozwiązania konstrukcyjne, wyposażenie i instalacje) ma decydujący wpływ na wskaźniki oddziaływania obiektu na środowisko [7], to należy pamiętać, że także istotna jest faza jego użytkowania.

Poza analizą energetyczno-ekologiczną [7] częściej decyduje jednak rachunek finansowy. Przeważnie pomijany jest w nim pełny cykl istnienia budynku, a uwzględniany przede wszystkim koszt budowy, zakupu mieszkania lub zysk dewelopera. Tego typu kryteria ograniczają zainteresowanie inwestora rozwiązaniami (na rzecz wariantów tańszych), które będą przynosić oszczędności dopiero po dłuższym okresie czasu eksploatacji lub są bardziej przyjazne środowisku.

Oczywiście, niezbędne jest przy tym zachowanie zasad wymaganych przepisami prawa, jednak ustalają one jedynie pewien, minimalny poziom odniesienia, którego poprawa – wiążąca się ze zmianą na lepszą charakterystykę energetyczno-ekologiczną obiektu budowlanego – wymaga dodatkowych nakładów. Analizując problem w odniesieniu do skumulowanego zużycia energii chemicznej paliw pełnego cyklu istnienia budynku (tj. sumy: skumulowanego zużycia energii w fazie wznoszenia; skumulowanego zużycia nośników energii bezpośredniej podczas użytkowania – zarówno przez samych użytkowników, jak i do wykonania czynności obsługowych; skumulowanego zużycia energii niezbędnej do wykonania zabiegów eksploatacyjnych w zakresie odnowy stanu technicznego budynku oraz skumulowanego zużycia energii niezbędnej do likwidacji obiektu [7, 8, 9]), początkowe skumulowane zużycie energii (faza wznoszenia) w skumulowanym zużyciu pełnego cyklu stanowi [7]:

• 4÷5% w obiektach wznoszonych w technologiach tradycyjnych,
• do 15% w budynkach energooszczędnych,
• ok. 20% w budynkach o małym zapotrzebowaniu na energię i ciepło,
• 100% w tzw. budynku „zeroenergetycznym”.

Zainteresowanie inwestora czy dewelopera redukcją wydatków nie sprzyja przy takich proporcjach poprawie efektywności energetycznej budynków. Sytuację tę może zmienić certyfikacja energetyczna, która jednak problem ten będzie rozwiązywać przede wszystkim od strony formalnej (przynajmniej na początku funkcjonowania nowych przepisów), co niekoniecznie sprzyja racjonalnej gospodarce energią i ciepłem w budynkach w warunkach rzeczywistych, a nie modelowych.

Obiekty i instalacje

Opisywane budynki (fot. 1. i rys. 1.) powstały w latach 2003÷2004, wzniesione w systemie deweloperskim. W styczniu 2007 r. utworzona została wspólnota mieszkaniowa, odpowiedzialna za ich zarządzanie. Powierzchnia zabudowanej działki to 2 ha. Znajdują się na niej cztery budynki 4-kondygnacyjne. Budynki F1 i F2 mają analogiczną względem siebie konstrukcję i rozkład, podobnie jak budynki E1 i E2.

W budynkach F1 i F2 są po dwie klatki schodowe, natomiast budynki E1 i E2 mają po 3 klatki schodowe. Łącznie w tych czterech budynkach znajduje się 253 mieszkań oraz 2 lokale usługowe. Współczynnik przenikania ciepła przegród zewnętrznych U zgodnie z projektem wynosi 0,30 W/(m²K), zamontowane okna PCV mają szyby o współczynniku U = 1,2 W/(m²K).

Ciepło na potrzeby ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej jest wytwarzane w dwóch niezależnych kotłowniach gazowych. W każdej z nich zainstalowane są dwa kotły gazowe o mocy 220 kW każdy (fot. 2.). Są to kotły żeliwne z dwustopniowymi palnikami atmosferycznymi, które pracują w relacji kocioł wiodący – kocioł nadążny. Każdy z kotłów ma odrębny przewód spalinowy i komin. Nominalna sprawność kotłów wg ich karty katalogowej wynosi 92%. Układ przygotowania ciepłej wody użytkowej stanowi bateria trzech podgrzewaczy pojemnościowych (fot. 3.) o łącznej objętości 1500 dm³ i mocy 195 kW (w każdej z kotłowni). Układ automatycznej regulacji uwzględnia priorytet ciepłej wody użytkowej.

W rozwiązaniu połączeń hydraulicznych urządzeń kotłowni nie przewidziano zastosowania zwrotnicy hydraulicznej, a jedynie rozdzielacze zasilania i powrotu (fot. 4.). Pompy obiegowe zapewniają zatem krążenie czynnika grzewczego zarówno przez obiegi odbiorników ciepła, jak i przez kotły.

Na etapie projektowania źródeł ciepła przyjęto zapotrzebowanie na ciepło instalacji centralnego ogrzewania równe 168 kW dla każdego z budynków E1 i E2 oraz 143 kW dla każdego z budynków F1 i F2. Dla zwymiarowania układu przygotowania ciepłej wody użytkowej założono po 170 osób w budynkach E1 i E2 oraz po 180 osób w budynkach F1 i F2.

W stosunku do samych potrzeb instalacji grzewczych moc źródła ciepła jest przewymiarowana o ok. 40%. Uwzględniając jednak w bilansie potrzeb także obliczeniowe średnie godzinowe zapotrzebowanie ciepła na przygotowania ciepłej wody użytkowej (w dobie o podwyższonym zużyciu), przewymiarowanie mocy kotłowni wynosi już tylko ok. 5%.

W budynkach, w których zlokalizowane są kotłownie, przewody instalacji rozprowadzającej centralnego ogrzewania, ciepłej wody użytkowej oraz cyrkulacji umieszczone są pod stropem hal garażowych (piwnica budynku). Mają oczywiście starannie wykonaną izolację termiczną z pianki polietylenowej (fot. 5.), jednak ze względu na długość przewodów i niskie temperatury panujące w tych pomieszczeniach należy liczyć się z odczuwalnymi dla bilansu ciepła stratami na przesyle.

Do budynków F1 i F2 ciepło przesyłane jest krótkim odcinkiem zewnętrznej części instalacji wykonanej w technologii preizolowanej. Przewody rozprowadzające instalacji wewnętrznych są następnie poprowadzone również pod stropem hal garażowych.

Instalacja centralnego ogrzewania w mieszkaniach jest wykonana w systemie rozdzielaczowym. Skrzynki z układem pomiarowym (liczniki ciepła z przepływomierzem skrzydełkowym) oraz rozdzielaczami zasilania i powrotu są zamontowane na klatce schodowej (fot. 6.). Umożliwia to łatwy dostęp osobom dokonującym odczytów zużycia ciepła.

Dla zapewnienia właściwych warunków hydraulicznych w instalacji przy zmiennych przepływach czynnika grzewczego zamontowane zostały zawory podpionowe stabilizacji różnicy ciśnień (fot. 7.).

W instalacji cyrkulacji ciepłej wody użytkowej zamontowano podpionowe zawory termostatyczne. Rozliczenie zużycia ciepłej wody użytkowej następuje na podstawie wodomierzy skrzydełkowych zamontowanych w mieszkaniach.

Odczyty zużycia ciepła na cele grzewcze w mieszkaniach należy uznać za wiarygodne. Liczniki ciepła są dostępne z zewnątrz i dokonuje je zewnętrzny podmiot, któremu zlecono usługę rozliczania kosztów ogrzewania. Trudniej jest odczytać wskazania wodomierzy, niemniej jednak udało się dokonać odczytu w 94% mieszkań. Pozostali lokatorzy dostarczyli wskazania wodomierzy samodzielnie.

Zużycie ciepła

W 2007 r. (od początku stycznia do końca grudnia) całkowite zużycie ciepła na ogrzewanie mieszkań i lokali usługowych wyniosło 2490 GJ. Wartość tę określono na podstawie sumy z odczytów ciepłomierzy mieszkaniowych. Średnie zużycie ciepła na potrzeby centralnego ogrzewania wyniosło 9,8 GJ/(mieszkanie rok), zaś w odniesieniu do powierzchni mieszkań analogiczny wskaźnik ma wartość 0,20 GJ/(m² rok).

Mieszkańcy w tym okresie zużyli łącznie 8195 m³ ciepłej wody (wartość tę określono na podstawie wskazań wodomierzy mieszkaniowych). Zakładając, że w źródle ciepłą wodę podgrzano o 40 K – stanowi to zużycie ciepła rzędu 1370 GJ, czyli ok. 35% rocznego zużycia ciepła. Zużycie wody zimnej wyniosło natomiast 18 353 m³. Widać z tego, że zużycie wody zimnej jest 2,24 razy większe niż zużycie wody ciepłej.

Taka dysproporcja przypuszczalnie wynika z dużego udziału w bilansie wody zimnej pralek automatycznych i zmywarek. To wyposażenie mieszkań przekłada się również na małe wartości jednostkowego zużycia ciepłej wody użytkowej. Jej jednostkowe dobowe zużycie w odniesieniu do jednego mieszkania wyniosło 88,7 dm³/(doba mieszkanie), a wody zimnej 198,7 dm³/(doba mieszkanie). Średnie zużycie wody ogólnej wyniosło zatem 287,4 dm³/(doba mieszkanie).

O ile wyznaczenie wskaźników odniesionych do liczby mieszkań jest dość proste, o tyle problemem staje się wyznaczenie wskaźników odnoszonych do liczby mieszkańców. Liczba osób przebywających w mieszkaniach jest zmienna w czasie i nawet jeśli przyjąć do analiz liczbę osób na stałe zamieszkujących lokale, jest ona praktycznie niemożliwa do dokładnego wyznaczenia [10].

Aby porównać uzyskane wyniki z bardziej powszechnym w stosowaniu w Polsce wskaźnikiem jednostkowym odniesionym do mieszkańca, przyjęto wariantowo średnią liczbę lokatorów w mieszkaniach w zakresie 2÷3,6. Dla takiego założenia wyniki zestawiono w tab. 2. Można zatem stwierdzić na tej podstawie, że dobowe zużycie ciepłej wody użytkowej na 1 mieszkańca (użytkownika instalacji) kształtowało się na poziomie ok. 25÷44 dm³/(doba osoba).

Zużycie gazu

Roczne zużycie gazu w dwóch kotłowniach wyniosło 195 tys. m² gazu podgrupy E (dawniej GZ-50). Uwzględniając tylko wartość opałową, jest to ok. 6050 GJ ciepła w postaci energii chemicznej zawartej w paliwie. Jeśli do obliczeń przyjąć ciepło spalania, będzie to stanowić ok. 6600 GJ. Porównując uzyskane wyniki do zmierzonej ilości ciepła w punktach jego odbioru (łącznie 3860 GJ w 2007 r.), daje to sprawność całoroczną całego systemu 63,8 % (w odniesieniu do wartości opałowej paliwa), a jeszcze mniej, gdyby uwzględnić całość energii chemicznej zawartej w paliwie określonej ciepłem spalania.

Na rys. 2. i w tab. 3. przedstawiono zużycie gazu w kolejnych miesiącach roku (na rysunku z rozbiciem na dwie kotłownie). Pomimo że dwie kotłownie zasilają odrębne budynki, to widać, że procentowy rozkład zużycia gazu w obu kotłowniach w poszczególnych miesiącach jest bardzo zbliżony do siebie. Jedynie w grudniu 2007 r. widoczna jest trochę większa rozbieżność, którą można próbować uzasadniać różnicami w zużyciu ciepłej wody użytkowej.

W kotłowni E2 zużycie gazu wyniosło wówczas 14,5% jej zużycia całorocznego, podczas gdy w kotłowni E1 wyniosło one już tylko 13,2%. W kotłowni E1 zużycie gazu w skali roku było natomiast większe o 8,2% niż w drugiej centrali cieplnej. Jednocześnie jednak powierzchnia mieszkań zaopatrywanych w ciepło z kotłowni E1 jest mniejsza (98,3%) niż powierzchnia mieszkań w budynkach E2 i F2.

Należy zwrócić uwagę, że w budynku E2 znajdują się dwa lokale usługowe, które mogą charakteryzować się większym zużyciem ciepła do celów grzewczych, jak również podwyższonym zużyciem ciepłej wody użytkowej, chociaż nie zweryfikowano tej hipotezy bardziej szczegółowymi analizami danych pomiarowych.

Podsumowanie

Jak widać na opisanym przykładzie, nawet nowoczesne systemy grzewcze wyposażone w urządzenia renomowanych firm nie gwarantują niskich kosztów ogrzewania i wysokiej efektywności energetycznej budynku. Pomimo wysokiej sprawności nominalnej, jaką gwarantują zastosowane kotły gazowe, ilość odbieranego ciepła przez lokatorów budynku jest dużo mniejsza niż ilość ciepła wytworzonego w paleniskach kotłów.

Oczywiście znaczenie może mieć wiele czynników, w tym niedokładności dokonywanych pomiarów, jednak niewątpliwie na efekt ten ma wpływ przede wszystkim sposób eksploatacji systemu grzewczego. Aby skutecznie działać na rzecz ograniczania zużycia zasobów paliw i oddziaływania działalności człowieka na środowisko, ważne jest zarówno prawidłowe zaprojektowanie oraz budowa systemu grzewczego, jak też późniejsza jego staranna eksploatacja [4, 5, 6].

Chociaż wymaga to większego zaangażowania zarządcy (lub właściciela) obiektu budowlanego, to jednak jak widać z przeprowadzonych wyliczeń, są tu ukryte duże możliwości uzyskania oszczędności. Ważne jest to też dla samych lokatorów, którzy w wyniku niskiej efektywności systemu ponoszą zawyżone koszty ogrzewania, nawet jeśli podejmują działania w kierunku zminimalizowania zużycia ciepła.

Zmniejszenie obciążenia cieplnego źródła może jednak skutkować dalszym ograniczaniem jego sprawności. Istotne jest nie tylko zagwarantowanie jej dużej wartości w warunkach obliczeniowych, ale również w okresie innych obciążeń, na dodatek zmiennych w czasie.

Literatura

1. Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne (t.j. DzU Nr 89 z 2006 r., poz. 625 z późn. zm.).
2. Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska (t.j. DzU z 2008 r. Nr 25, poz. 250).
3. Ustawa z dnia 7 lipca 1997 r. Prawo budowlane (t.j. DzU Nr 156, poz. 1118 z 2006 r. z późn. zm.).
4. Harvey L.D., A handbook on low-energy buildings and district-energy systems, Earthscan, London 2006.
5. Nowak B., Bartnicki G., Modernizacja instalacji ogrzewczych, Rynek Instalacyjny 6/2005, s. 36.
6. Nowak B., Energetycznie efektywne budownictwo, Rynek Instalacyjny 10/2007, s. 21.
7. Górzyński J., Podstawy analizy środowiskowej wyrobów i obiektów, WNT, Warszawa 2007.
8. Cole R., Kernan P.C., Life cycle energy use in office buildings, Building and Environment vol. 34 nr 4, 1996.
9. Lewandowska A., Środowiskowa ocena cyklu życia produktu na przykładzie wybranych typów pomp przemysłowych, Wyd. Akademii Ekonomicznej w Poznaniu, Poznań 2006.
10. Bartnicki G., Nowak B., Projektowanie wielkości układów przygotowania ciepłej wody użytkowej w świetle obowiązujących w Polsce przepisów prawnych, COW 3/2004.