Wybór źródła ciepła i chłodu dla typowego budynku jednorodzinnego o niemal zerowym zużyciu energii (nZEB)

Zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [1] budynek o niemal zerowym zużyciu energii to budynek o bardzo wysokiej charakterystyce energetycznej (określonej w załączniku I), obejmującej obliczoną lub zmierzoną ilość energii potrzebnej do zaspokojenia zapotrzebowania związanego z jego typowym użytkowaniem, wyrażoną poprzez zużycie energii pierwotnej w kWh/m² na rok. Niemal zerowa lub bardzo niska ilość wymaganej energii powinna pochodzić w bardzo dużym stopniu ze źródeł odnawialnych, w tym wytwarzanej na miejscu lub w pobliżu, oraz wynikać z zastosowania wydajnych rozwiązań instalacyjno-konstrukcyjnych.

Określono tym samym minimalny standard nowo wznoszonych budynków, który ma w pełni obowiązywać od 1 stycznia 2019 roku dla obiektów zajmowanych przez władze publiczne i będące ich własnością, a od 1 stycznia 2021 roku dla wszystkich obiektów nowo budowanych [2].

Definicja ta nie precyzuje, czy projektowany obiekt powinien być samowystarczalny energetycznie, co oznacza, że dopuszczone jest bilansowanie energii produkowanej na miejscu i wyeksportowanej do sieci oraz dostarczanej z sieci, co jest zgodne z zapisami zamieszczonymi w normach [3 i 4].

Charakterystyka typowego budynku jednorodzinnego o prawie zerowym zużyciu energii

Jako typowy budynek jednorodzinny, szczegółowo opisany pod względem architektoniczno-konstrukcyjnym i sposobu użytkowania, przyjęto budynek referencyjny NAPE.

Zgodnie z [5] jest to obiekt dwukondygnacyjny niepodpiwniczony o powierzchni użytkowej A_f = 149,8 m², kubaturze V_e = 550,5 m³ oraz współczynniku kształtu A_e/V_e = 0,79 1/m. Użytkowany jest przez czteroosobową rodzinę (dwie osoby dorosłe i dwoje dzieci).

W celu przeprowadzenia analizy przyjęto następujące założenia dodatkowe:

• Zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na cele ogrzewania i wentylacji Eu = 15 kWh/m² rok.
• Długość sezonu grzewczego wynosi 2500 h.
• Budynek jest wyposażony w wentylację mechaniczną nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła o nominalnym przepływie V_N/V_W = 260 m³/h pracującą w trybie ciągłym.
• Ogrzewanie wodne centralne odbywa się za pomocą instalacji płaszczyznowych.
• Chłodzenie – w zależności od wariantu, za pomocą dostarczanego powietrza wentylacyjnego i/lub z wykorzystaniem instalacji płaszczyznowych.
• Pompa obiegowa instalacji płaszczyznowej pracuje przez cały rok: 8760 h.

Obliczenia przeprowadzono w autorskim arkuszu kalkulacyjnym (w MS Excel) zgodnie z rozporządzeniem w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej [6].

Roczne zapotrzebowanie na ciepło dla budynku

Zgodnie z założeniem obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na cele ogrzewania i wentylacji Eu (tab. 1) przyjęto jako 15 kWh/m² rok.

Obliczenia rocznego zapotrzebowania na ciepło użytkowe na cele przygotowania ciepłej wody użytkowej zgodnie z [6] przedstawiono w tab. 2.

Uwaga:

W celu przeanalizowania wariantów opartych na wykorzystaniu pompy ciepła c.w.u. rozbito zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na cele przygotowania c.w.u. na dwa okresy:

a) sezon zimowy, tj. 2004 h – zapotrzebowanie na c.w.u. Q_w,nd = 825,45 kWh/rok (22,9%),

b) poza sezonem zimowym, tj. 6756 h – zapotrzebowanie na c.w.u. Q_w,nd = 2782,82 kWh/rok (77,1%).

Za sezon zimowy uznano okres, kiedy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa od 1°C.

Ilość ciepła pozyskanego przez próżniowe kolektory słoneczne wynosi Q_w,nd = 1515,47 kWh/rok (42%).

Warianty źródeł ciepła oraz chłodu

W analizie uwzględniono dziesięć wariantów źródeł ciepła z możliwością schładzania budynku w okresie letnim i zestawiono je w tab. 3.

W dalszych obliczeniach w celu ochrony przed szronieniem wymiennika ciepła zlokalizowanego w centrali wentylacyjnej (rekuperatora) uwzględnia się podgrzew czerpanego świeżego powietrza do dodatniej wartości temperaturowej w okresie zimy.

Podgrzew można uzyskać za pomocą nagrzewnicy wstępnej elektrycznej (warianty 3, 4 i 9) lub z wykorzystaniem gruntowego wymiennika ciepła, np.:

• GGWC – gruntowego glikolowego wymiennika ciepła wykorzystującego odwierty lub poziomy wymiennik ciepła od pompy ciepła (warianty 6 i 7),
• GPWC – gruntowego powietrznego wymiennika ciepła (warianty 1, 2, 5 i 8),
• GŻWC – gruntowego żwirowego wymiennika ciepła (wariant 10),

a także za pomocą układu sterowania w centrali wentylacyjnej polegającego na okresowej zmianie proporcji ilości powietrza wywiewanego do nawiewanego (wynoszącej podczas zwyczajnej pracy 1:1), co jest niezalecane w przypadku szczelnych obiektów o prawie zerowym zużyciu energii [7, 8].

Z uwagi na specyfikę obecnie wznoszonych budynków o prawie zerowym zużyciu energii (o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię potrzebną do ich ogrzania) oraz znaczne przeszklenia w orientacji południowej (możliwy do osiągnięcia tzw. efekt letniego przegrzania budynku) zaleca się zastosowanie gruntowego wymiennika ciepła lub zapewnienie innej formy chłodzenia budynku w okresie letnim [7,8].

W przypadku świadomego i systematycznego wykorzystywania zjawiska naturalnego nocnego przewietrzania budynku (otwierane okna) i/lub instalacji wentylacji mechanicznej w trybie przewietrzania w okresie letnim w połączeniu z właściwym zastosowaniem przegród zacieniających użytkownik może zrezygnować z zastosowania gruntowego wymiennika ciepła, jednak w niniejszej analizie proponuje się jego zastosowanie (warianty 1, 2, 5, 6, 7, 8, 10).

GWC pełni funkcję podgrzewu czerpanego powietrza świeżego w okresie zimowym, natomiast latem działa jak prosty układ chłodniczy, schładzając powietrze nawiewane i zapobiegając częściowo procesowi przegrzania budynku.

Inną formą chłodzenia obiektu w okresie letnim może być chłodzenie pasywne z wykorzystaniem dolnego źródła pompy ciepła z gruntowym wymiennikiem pionowym lub poziomym i instalacji ogrzewania płaszczyznowego, tj. płyty grzewczej, stropu aktywowanego termicznie czy instalacji ogrzewania podłogowego (warianty 6 i 7), a także chłodzenie zrzutowe, będące efektem podgrzewu c.w.u. w pompie ciepła c.w.u. z wykorzystaniem powietrza nawiewanego do budynku – rozwiązanie to jest jednak mało efektywne (warianty 3 i 9).

Ostatnią rozpatrywaną formą chłodzenia budynku jest chłodzenie aktywne za pomocą rewersyjnej pompy ciepła typu powietrze/woda (wariant 4).

Zastosowanie gruntowego wymiennika ciepła oraz chłodzenia pasywnego z wykorzystaniem instalacji płaszczyznowej i dolnego źródła ciepła gruntowej pompy ciepła zwiększa znacząco komfort użytkowy i termiczny panujący w środowisku wewnętrznym podczas okresu letniego. Należy mieć jednak na uwadze, że wyżej wymienione układy nie działają jak typowa klimatyzacja, tylko jak proste układy chłodnicze.

Dla wariantu nr 4 założono zapotrzebowanie na użytkowy chłód aktywny na poziomie Q_c,nd = 1500 kWh/rok.

Obliczenia zużycia energii końcowej oraz pierwotnej

W obliczeniach przyjęto, że urządzenia pracują z następującą średnioroczną sprawnością wytwarzania ciepła z nośnika energii na cele ogrzewcze η_H,g oraz na cele przygotowania ciepłej wody użytkowej η_W,g:

• kocioł gazowy kondensacyjny: η_H,g = 0,94, η_W,g = 0,85;
• pompa ciepła powietrzna c.w.u.: η_W,g = 3,8;
• pompa ciepła powietrzna: η_H,g = 3,4, η_W,g = 3,5, SEER = 4,5;
• pompa ciepła z gruntowym pionowym wymiennikiem ciepła: η_H,g = 4,8, η_W,g = 4,2;
• pompa ciepła z gruntowym poziomym wymiennikiem ciepła: η_H,g = 3,7, η_W,g = 4,0;
• kocioł elektrodowy: η_H,g i η_W,g = 0,99.

W dalszych obliczeniach przyjęto następujące współczynniki charakteryzujące efektywność regulacji, dystrybucji, magazynowania i sterowania instalacją centralnego ogrzewania oraz instalacją przygotowania c.w.u. (założono wartości tożsame dla wszystkich wariantów źródła ciepła):

• średniosezonowa sprawność regulacji i wykorzystania ciepła – instalacja c.o.: η_H,e’ = 0,85;
• średniosezonowa sprawność przesyłu ciepła ze źródła ciepła – instalacja c.o.: η_H,d = 0,96;
• średniosezonowa sprawność akumulacji ciepła – instalacja c.o.: η_H,s = 0,95;
• średniosezonowa sprawność przesyłu ciepła ze źródła ciepła – instalacja c.w.u.: η_W,d= 0,80;
• średniosezonowa sprawność akumulacji ciepła – instalacja c.w.u.: η_W,s = 0,85;
• średniosezonowa sprawność wykorzystania ciepła – instalacja c.w.u.: η_W,e = 1,00.

Czytaj też: Wpływ doboru pompy ciepła powietrze/woda na koszty eksploatacyjne instalacji grzewczej >>>

W tab. 4a i tab. 4b przedstawiono zapotrzebowanie na energię elektryczną urządzeń pomocniczych systemów technicznych.

Wyodrębniono z urządzeń pomocniczych instalacji c.o. instalację wentylacji mechanicznej z uwagi na znaczną konsumpcję energii elektrycznej. Czasy pracy urządzeń (t_e,i) są zgodne z [6] i/lub oparte na danych meteorologicznych dla Poznania [9] oraz bazują na doświadczeniu autora.

Moce elektryczne urządzeń pomocniczych to rzeczywiste wartości zaczerpnięte z kart katalogowych urządzeń technicznych.

W rozwiązaniach z wykorzystaniem gruntowego wymiennik ciepła (GWC żwirowe, GWC powietrzne rurowe, GWC glikolowe – chłodzenie pasywne PC) powietrze wentylacyjne w okresie grzewczym zostaje wstępnie ogrzane w sposób pasywny, natomiast dla rozwiązań bez GWC w sposób aktywny z wykorzystaniem wstępnej nagrzewnicy elektrycznej.

Bazując na zebranych informacjach oraz przyjętych założeniach, roczne zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną (EP), końcową (EK) oraz użytkową (EU) dla poszczególnych wariantów źródła ciepła zestawiono w tab. 5a, tab. 5b i tab. 6 oraz na rys. 1, rys. 2, rys. 3.

Analiza ekonomiczna

W celu przeprowadzenia analizy ekonomicznej przyjęto następujące założenia:

W obliczeniach kosztów inwestycyjnych wskazano wyłącznie różnice pomiędzy wariantami (np. nie wliczano instalacji dystrybucji czynnika grzewczego centralnego ogrzewania, orurowania, rozdzielaczy itd., ponieważ założono, że w każdym z wariantów koszt inwestycyjny będzie podobny lub tożsamy) – tab. 6, rys. 4, rys. 5a, rys. 5b, rys. 6a, rys. 6b, rys. 6c, rys. 6d i rys. 6e.

Do kosztów eksploatacyjnych zmiennych zaliczono koszty poszczególnych form energii oraz dodatkowy abonament w przypadku paliwa gazowego – tab. 7.

W kosztach eksploatacyjnych stałych uwzględniono (tab. 8):

• roczną amortyzację urządzeń przyjętych do analizy (4% wartości zakupu w przypadku gruntowych pomp ciepła oraz 6% dla pozostałych urządzeń ulegających zużyciu),
• roczne koszty serwisu oraz napraw urządzeń – wg stawek rynkowych,
• stopę dyskonta wynoszącą 2,0%.

Rozwiązaniem charakteryzującym się najniższymi kosztami eksploatacyjnymi w ciągu roku jest wariant 6 – wykorzystanie pompy ciepła z gruntowym pionowym wymiennikiem ciepła. Rozwiązanie to jest stabilne, przynosi porównywalne roczne koszty utrzymania komfortu cieplnego wewnątrz obiektu pomimo występujących zmiennych warunków zewnętrznych.

Innymi rozwiązaniami są propozycje oparte na pompie ciepła z gruntowym poziomym wymiennikiem ciepła (wariant 7) oraz pompie ciepła typu powietrze/woda (warianty 5 i 10).

Rozwiązania wykorzystujące kocioł elektrodowy (warianty 8 i 9) charakteryzują się najwyższymi całkowitymi kosztami eksploatacji systemu.

Wariant 4 z pompą ciepła typu powietrze/woda z uwagi na chłodzenie aktywne budynku w okresie letnim oraz podgrzew elektryczny powietrza czerpanego jest rozwiązaniem o wysokich kosztach zmiennych eksploatacji.

Omówienie wyników oraz wnioski

Na podstawie przeprowadzonej analizy kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych prostych, a także zdyskontowanych kosztów całkowitych dla okresu 3, 5, 10 i 15 lat można stwierdzić, że z ekonomicznego punktu widzenia najkorzystniejsze są rozwiązania techniczne w wariantach 1 i 3, bazujące na zastosowaniu kotłów gazowych kondensacyjnych, a następnie wariant 9 z wykorzystaniem kotła elektrodowego (w obu przypadkach źródła konwencjonalne) (tab. 9).

Kolejnymi korzystnymi aplikacjami są rozwiązania zgodne z wariantami 6 i 7 – wykorzystujące gruntowe pompy ciepła (OZE).

Warianty 5, 6, 7 i 10 wykorzystujące w pełni, tzn. na cele ogrzewcze i chłodnicze oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, alternatywne źródła energii (pompy ciepła i gruntowe wymienniki ciepła) wykazują się najmniejszym zapotrzebowaniem na energię końcową oraz energię pierwotną, najniższymi kosztami eksploatacji, ale najwyższymi kosztami inwestycyjnymi i amortyzacji urządzeń.

Rozwiązanie wykorzystujące pompę ciepła z gruntowym pionowym wymiennikiem ciepła (wariant 6) bez względu na panujące zewnętrzne warunki atmosferyczne charakteryzuje się stabilnym, wysokim współczynnikiem efektywności wytwarzania ciepła z dostarczonego nośnika energii, co ma odzwierciedlenie w najniższych kosztach eksploatacji systemu. W okresie letnim, wykorzystując dolne źródło ciepła do pasywnego chłodzenia budynku (instalację płaszczyznową), zwiększa się przy okazji efektywność przygotowania c.w.u. i dodatkowo regeneruje grunt, co z kolei zwiększa jego zasobność energetyczną na początku okresu grzewczego.

Podsumowanie

Rekomendowanym dla typowego budynku jednorodzinnego o niemal zerowym zużyciu energii (nZEB) jest rozwiązanie techniczne opisane jako wariant 6. Cechuje się ono najwyższą efektywnością przetwarzania energii, niezależną od zewnętrznych warunków atmosferycznych i wysoką zdolnością pasywnego grzania powietrza czerpanego zimą, a także wysoką efektywnością pasywnego chłodzenia (instalacją płaszczyznową), dzięki czemu w obrębie budynku można w ciągu całego roku osiągnąć zadowalające parametry komfortu klimatycznego.

W przypadku budowy dodatkowego systemu pozyskiwania energii elektrycznej (instalacja fotowoltaiczna – PV) dla przedstawionych systemów technicznych wykorzystujących pompy ciepła budynek o niemal zerowym zużyciu energii (nZEB) może zostać obiektem o dodatnim bilansie energetycznym w perspektywie średniorocznej, co przyczyni się do wzrostu wartości inwestycji.

Rozwiązania opisane jako warianty 4, 5 i 10 w połączeniu z instalacją fotowoltaiczną (PV) i wykorzystaniem pasywnego i/lub aktywnego chłodzenia stają się ciekawą alternatywą dla wariantu 6. Komfort klimatyczny obsługiwanych pomieszczeń jest w nich taki sam, różnicę stanowią wyłącznie koszty inwestycyjne oraz późniejsze koszty eksploatacji układu, które dla wariantów 4, 5 i 10 w przypadku łagodnej zimy mogą być nawet niższe niż dla wariantu 6.

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (Dz.Urz. UE L 153/13).
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2017, poz. 2285)
3. PN-EN 15316-1:2009 Systemy ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania zapotrzebowania na energię i sprawności systemów. Cześć 1: Wymagania ogólne.
4. PN-EN 15603:2008 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Całkowite wykorzystanie energii i definicja wskaźników energetycznych.
5. Kwiatkowski J., Mijakowski M., Sowa J., Jednorodzinny budynek referencyjny NAPE zdefiniowany na potrzeby oceny efektywności energetycznej systemów wentylacji w jednorodzinnym budynku mieszkalnym, Narodowa Agencja Poszanowania Energii S.A., Warszawa 2017.
6. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376).
7. Radomski B., Projektowanie instalacji sanitarnych w budynkach pasywnych – studium przypadku, „Inżynier Budownictwa”, 142, 2016.
8. Radomski B., Projektowanie w budynkach pasywnych instalacji ziębniczej, przygotowania ciepłej wody użytkowej i wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej, „Inżynier Budownictwa”, 144, 2016.
9. Wskaźniki emisji i wartości opałowe paliwa oraz typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne do obliczeń energetycznych budynków, Ministerstwo Infrastruktury, www.miir.gov.pl.