6. Modelowanie budynków niemal zero – energetycznych
6.4 Wyniki analizy zapotrzebowania ciepła i strat ciepła
Wyniki analizy obejmują różne warianty tego samego budynku w różnych konfiguracjach temperatur zasilania instalacji grzewczej. Budynek ma 2 klatki schodowe z czego każda klatka ma jeden pion. Dla układu centralnego są 2 piony, dla układu zdecentralizowanego 1 pion na klatkę schodową.
Wyniki przedstawiono w kolejności chronologicznej od budynku A31, A32, A33. W pierwszej kolejności prezentowane są wyniki dla układu centralnego oraz zdecentralizowanego instalacji grzewczej, natomiast w drugim kroku prezentowane są wyniki dla układu przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Wszystkie wyniki są opatrzone stosownym komentarzem wraz z wnioskami wynikającymi z przeprowadzonych analiz modelowania budynków niemal zero energetycznych. Na wykresach zestawiono sumaryczne wyniki zapotrzebowania na ciepło dla budynków A31, A32, A33, które są liczone w układzie budynków niemal zero energetycznych.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 75 z 118
Tabela 6.4. Zestawienie parametrów charakteryzujących poszczególne warianty budynku.
Lp. Budynek [symbol] A31 A32 A33
1 Rok termomodernizacji 2021 2021 2021
2 Lokalizacja Poznań Poznań Poznań
3 Powierzchnia ogrzewana Af (m2) 2000 2000 2000 Kubatura przestrzeni ogrzew. V [m3] 5400 5400 5400
4 Liczba mieszkańców [os.] 60 60 60
Izolacyjność termiczna/ szczelność osłony zewnętrznej budynku 1. Ściana zewnętrzna [W/(m2K)] 0,20 0,20 0,15
8. Instalacja wentylacji mechaniczna mechaniczna mechaniczna
10. Wykorzystana energia EC EC EC
*wskaźnik z Veolia Energia Poznań na dzień 30.03.2019r.
1,058 1,058 1,058
BUDYNEK A31
Wyniki oraz wnioski dla instalacji c.o. i c.w.u. w układzie centralnym i zdecentralizowanym dla rozpatrywanego wariantu budynku A31 zestawiono w tabeli 6.4.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 76 z 118
Rysunek 6.3 Energia użytkowa na cele c.o. w układzie centralnym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c. o. oraz c.w.u. dla wariantu A31.
Rysunek 6.4 Energia użytkowa na cele c.o. w układzie zdecentralizowanym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c.o. oraz c.w.u. dla wariantu A31.
Zyski instalacji do wewnątrz Straty instalacji
Zyski instalacji do wewnątrz Straty instalacji
18oC 5660h
Zyski instalacji do wewnątrz Straty instalacji
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 77 z 118
Rysunek 6.5 Energia użytkowa i końcowa na cele c.o. w układzie centralnym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c. o. oraz c.w.u. dla wariantu A31.
Rysunek 6.6 Energia użytkowa i końcowa na cele c.o. w układzie zdecentralizowanym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c. o. oraz c.w.u. dla wariantu A31.
Zyski instalacji do wewnątrz Straty instalacji
Zyski instalacji do wewnątrz Straty instalacji
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 78 z 118
Rysunek 6.7 Energia użytkowa i końcowa na cele c.w.u. w układzie centralnym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c. o. oraz c.w.u. dla wariantu A31.
Rysunek 6.8 Energia użytkowa i końcowa na cele c.w.u. w układzie zdecentralizowanym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c. o. oraz c.w.u. dla wariantu A31.
Dla rozpatrywanego budynku A31 w układzie centralnym (Rysunek 6.3) budynek zostaje przegrzany w temperaturze zewnętrznej oscylującej w okolicach 8,1oC, wynika to z zysków pochodzących od układu instalacji c.o. oraz c.w.u. Jest to jednocześnie punkt przegrzania budynku, w którym instalacja c.o. zostaje wyłączona w momencie, gdy bilans godzinowy będzie równy lub poniżej 1 [Wh/(m2·h)]. Dla zaprojektowanego budynku o tej samej kubaturze i parametrach instalacji c.o. 90/70oC w układzie zdecentralizowanym zaobserwowano, że zyski od instalacji c.o. są znacząco mniejsze, a przegrzanie budynku następuje dopiero w temperaturze około 18oC. Jednocześnie, zastosowanie układu zdecentralizowanego powoduje, że sprawność dystrybucji instalacji grzewczej i c.w.u. jest większa. W układzie zdecentralizowanym (Rysunek 6.4) zyski pochodzące od instalacji c.o. znajdującej się w osłonie bilansowej i poza nią są znacząco mniejsze. Dla układu centralnego (Rysunek 6.7) zyski pochodzące od instalacji c.w.u. są znacząco wyższe niż dla tej samej instalacji w układzie zdecentralizowanym. (Rysunek 6.8).
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 79 z 118
Tabela 6.5.Zestawienie zysków ciepła od instalacji c.o. i c.w.u. dla budynku A31.
Budynek A31 w układzie centralnym jest przegrzewany w temperaturze zewnętrznej 8,1oC, natomiast w układzie zdecentralizowanym ten sam budynek jest przegrzewany w temperaturze 18oC. W związku z powyższym rekomenduje się układ zdecentralizowany z uwago na mniejsze straty pochodzące od instalacji c.o. oraz c.w.u. Różnica między energią końcową w układzie centralnym i zdecentralizowanym wynosi około 38% w temperaturze 90/70oC, natomiast w temperaturze projektowej 60/45oC różnica EK wynosi 21%.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 80 z 118
BUDYNEK A32
Wyniki dla instalacji c.o. i c.w.u. w układzie centralnym i zdecentralizowanym dla rozpatrywanego wariantu budynku A32 zestawiono w tabeli 6.6.
Rysunek 6.9 Energia użytkowa na cele c.o. w układzie centralnym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c. o. dla wariantu A32.
Rysunek 6.10 Energia użytkowa na cele c.o. w układzie zdecentralizowanym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c. o. dla wariantu A32.
Straty instalacji Zyski instalacji do wewnątrz
4715h 2oC
5601h 19oC
Zyski instalacji do wewnątrz Straty instalacji
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 81 z 118
Rysunek 6.11 Energia użytkowa i końcowa na cele c.w.u. w układzie centralnym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c. o. oraz c.w.u. dla wariantu A32.
Rysunek 6.12 Energia użytkowa i końcowa na cele c.w.u. w układzie zdecentralizowanym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c. o. oraz c.w.u. dla wariantu A32.
5601h 19oC 4715h 2oC
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 82 z 118
Rysunek 6.13 Energia użytkowa na cele c.w.u. w układzie centralnym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c.w. u. dla wariantu A32.
Rysunek 6.14 Energia użytkowa na cele c.w.u. w układzie zdecentralizowanym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c.w.u. dla wariantu A32.
Dla rozpatrywanego budynku A32 w układzie centralnym (Rysunek 6.9) budynek zostaje przegrzany w temperaturze zewnętrznej oscylującej w okolicach 3,9oC, wynika to z zysków pochodzących od układu instalacji c.o. oraz c.w.u. Jest to jednocześnie punkt przegrzania budynku, w którym instalacja c.o. zostaje wyłączona w momencie, gdy bilans godzinowy będzie równy lub poniżej 1 [Wh/(m2·h)]. Dla zaprojektowanego budynku o tej samej kubaturze i parametrach instalacji c.o. 60/45oC w układzie zdecentralizowanym zaobserwowano, że zyski od instalacji c.o. są znacząco mniejsze. Jednocześnie, zastosowanie układu zdecentralizowanego powoduje, że sprawność dystrybucji instalacji grzewczej jest większa. W układzie zdecentralizowanym (Rysunek 6.10) zyski pochodzące od instalacji c.o. znajdującej się w osłonie bilansowej i poza nią są znacząco mniejsze, a temperatura przegrzania budynku wynosi około 16,4oC. W okolicach wskazanej temperatury układ instalacji ogrzewania jest wyłączony, pozostają jedynie zyski pochodzące od instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej. Dla układu centralnego (Rysunek 6.13) zyski
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 83 z 118
pochodzące od instalacji c.w.u. są znacząco wyższe niż dla tej samej instalacji w układzie zdecentralizowanym (Rysunek 6.14). Wyniki zestawiono w tabeli 6.6. dla układu centralnego i zdecentralizowanego budynku A32.
Tabela 6.6 Zestawienie zysków od instalacji c.o. i c.w.u. dla budynku A32.
Budynek A32 w układzie centralnym jest przegrzewany w temperaturze zewnętrznej 0oC, natomiast w układzie zdecentralizowanym ten sam budynek jest przegrzewany w temperaturze 7,8oC. W związku z powyższym rekomenduje się układ zdecentralizowany z uwago na mniejsze straty pochodzące od instalacji c.o. oraz c.w.u. Różnica między energią końcową w układzie centralnym i zdecentralizowanym wynosi około 38% w temperaturze 90/70oC, natomiast w temperaturze projektowej 60/45oC różnica EK wynosi 28%.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 84 z 118
BUDYNEK A33
Wyniki dla instalacji c.o. i c.w.u. w układzie centralnym i zdecentralizowanym dla rozpatrywanego wariantu budynku A33 zestawiono w tabeli 6.7.
Rysunek 6.15 Energia użytkowa na cele c.o. w układzie centralnym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c. o. dla wariantu A33.
Rysunek 6.16 Energia użytkowa na cele c.o. w układzie zdecentralizowanym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c.o. dla wariantu A33.
Zyski instalacji do wewnątrz
Straty instalacji
Zyski instalacji do wewnątrz
Straty instalacji
3997h -2,9oC
4332h 8,6oC
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 85 z 118
Rysunek 6.17 Energia użytkowa i końcowa na cele c.w.u. w układzie centralnym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c. o. oraz c.w.u. dla wariantu A33.
Rysunek 6.18 Energia użytkowa i końcowa na cele c.w.u. w układzie zdecentralizowanym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c.o. oraz c.w.u. dla wariantu A33.
3997h -2,9oC
4332h 8,6oC
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 86 z 118
Rysunek 6.19 Energia użytkowa i końcowa na cele c.w.u. w układzie centralnym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c.w.u. dla wariantu A33.
Rysunek 6.20 Energia użytkowa i końcowa na cele c.w.u. w układzie zdecentralizowanym z uwzględnieniem zysków ciepła od instalacji c.w.u. dla wariantu A33.
Dla rozpatrywanego budynku A33 w układzie centralnym (Rysunek 6.15) budynek zostaje przegrzany w temperaturze zewnętrznej oscylującej w okolicach -3,1 oC, wynika to z zysków pochodzących od układu instalacji c.o. oraz c.w.u. Jest to jednocześnie punkt przegrzania budynku, w którym instalacja c.o. zostaje wyłączona w momencie, gdy bilans godzinowy będzie równy lub poniżej 1 [Wh/(m2·h)]. Dla zaprojektowanego budynku o tej samej kubaturze i parametrach instalacji c.o. 90/70oC w układzie zdecentralizowanym zaobserwowano, że zyski od instalacji c.o. są znacząco mniejsze. Jednocześnie, zastosowanie układu zdecentralizowanego powoduje, że sprawność dystrybucji instalacji grzewczej jest większa. W układzie zdecentralizowanym (Rysunek 6.16) zyski pochodzące od instalacji c.o. znajdującej się w osłonie bilansowej i poza nią są znacząco mniejsze. Dlatego też temperatura przegrzania budynku jest znacznie wyższa niż w układzie centralnym, wynosi około 0,4oC. W okolicach wskazanej temperatury układ instalacji ogrzewania jest wyłączony, pozostają jedynie zyski pochodzące od instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Wyniki zestawiono w tabeli 6.7.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 87 z 118
Tabela 6.7 Zestawienie zysków od instalacji c.o. i c.w.u. dla budynku A33.
Budynek A33 w układzie centralnym jest przegrzewany w temperaturze zewnętrznej -3,1oC, natomiast w układzie zdecentralizowanym ten sam budynek jest przegrzewany w temperaturze 0,4oC. W związku z powyższym rekomenduje się układ zdecentralizowany z uwago na mniejsze straty pochodzące od instalacji c.o. oraz c.w.u. Różnica między energią końcową w układzie centralnym i zdecentralizowanym wynosi około 32% w temperaturze 90/70oC, natomiast w temperaturze projektowej 60/45oC różnica EK wynosi 12%.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 88 z 118
Tabela 6.8 Zestawienie wyników symulacji zapotrzebowania na ciepło dla c.o. oraz c.w.u.
rozpatrywanych wariantów.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 89 z 118
6.5 Wnioski z analiz symulacji zapotrzebowania na ciepło c.o. oraz c.w.u. dla budynków nZEB
Wnioski z przedstawionych w rozdziale 6.4 wyników:
a. Budynki o lepszej izolacji termicznej w układzie zdecentralizowanym nie są przegrzewane jak w przypadku tych samych budynków w układzie centralnym.
b. Straty instalacji c.o. oraz c.w.u. poza i w osłonie izolacyjnej budynku są mniejsze w układzie zdecentralizowanym niż w układzie centralnym. Wynika to z lepszej izolacyjności przewodów oraz mniejszej długości przewodów instalacji wykorzystanych w układzie zdecentralizowanym.
c. Porównując budynki w układzie centralnym oraz zdecentralizowanym stwierdzono, że układ zdecentralizowany jest lepszy, ponieważ dzięki zmniejszeniu długości rur przypadających na m2 powierzchni występuje mniejsza ilość strat w budynku oraz mniejsza ilość zysków do wnętrza przestrzeni ogrzewanej. Im mniejsze straty w instalacji c.o. oraz c.w.u. w budynku, tym mniejsze ryzyko przegrzewania budynku.
d. Porównując budynek A31 w układzie centralnym i zdecentralizowanym zaobserwowano różnicę temperatur, w której budynek zostaje przegrzewany. Im mniejsze zapotrzebowanie budynku na ciepło w układzie centralnym, tym szybciej budynek zostaje przegrzewany. W układzie zdecentralizowanym budynek jest przygrzewany znacznie później z uwagi na mniejszą długość przewodów instalacji przypadających na m2 powierzchni ogrzewanej.
e. W budynkach A31, A32 oraz A33 w układzie zdecentralizowanym zaobserwowano zmniejszenie strat ciepła oraz zysków pochodzących od instalacji c.o. oraz c.w.u.
f. W układzie zdecentralizowanym obecność zasobnika akumulacyjnego oraz pochodzące zyski nie powodują znaczącego przegrzania budynku z uwagi na bardzo dobrą izolację termiczną zasobnika, dotyczy to również sytuacji, w której zasobnik jest w tzw. „stanie czuwania” w okresie nocnym.
Biorąc pod uwagę powyższe niezbędna jest zmiana systemu topologii instalacji c.o. oraz c.w.u. Znaczące oszczędności energii z możliwym włączeniem odnawialnych źródeł energii wymagają nowych koncepcji energetycznych — zarówno w nowych, jak i w modernizowanych budynkach. Niezależnie od tego, czy jest to budynek po modernizacji, czy nowy, alternatywne źródła energii wymagają zbiornika buforowego, w którym gromadzona jest podgrzana woda, a następnie dystrybuowana do poszczególnych mieszkań. Każde mieszkanie wyposażone jest we własny węzeł mieszkaniowy, który zapewnia rozprowadzanie czynnika grzewczego o żądanej temperaturze do poszczególnych grzejników w mieszkaniu. Termomodernizacja budynków i zdecentralizowane systemy ogrzewania zmniejszają straty ciepła i obniżają koszty ogrzewania. Zwiększają komfort, zapewniają wygodę i higienę wody użytkowej.
Równocześnie liczniki zużycia ciepła zamontowane w każdym mieszkaniu dają użytkownikom możliwość sterowania zużyciem energii oraz lepszą kontrolę rachunków za ogrzewanie i ciepłą wodę. Dzięki temu budynki te są bardziej atrakcyjne dla wszystkich zainteresowanych.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 90 z 118
7. Kierunki zmian dla źródeł ciepła dla instalacji grzewczych i źródeł ciepła
Biorąc pod uwagę zaprezentowane modele budynków (A31, A32, A33) wynika, że stosowanie rozległych instalacji prowadzi do przegrzewania budynku. Instalacja ze źródłem ciepła w postaci węzła cieplnego centralnego powoduje, że rozprowadzenie instalacji c.o.
i c.w.u. generuje duże straty ciepła. Dodatkowo, prowadząc instalacje w częściach nieogrzewanych (klatki schodowe, nieogrzewana piwnica) straty ciepła są jeszcze większe.
W celu zmniejszenia strat ciepła, przede wszystkim dystrybucji, konieczna jest zmiana topologii instalacji w budynku m.in. decentralizacja układu. Propozycją systemu spełniającego wymagania w zakresie zmniejszenia strat ciepła dystrybucji może być układ z mini węzłami mieszkaniowymi.
Zdecentralizowany system ogrzewania składa się z węzłów mieszkaniowych zainstalowanych w poszczególnych mieszkaniach z pionów wyposażonych w 3 centralne rurociągi, zasilanych z jednego centralnego źródła ciepła, znajdującego się zazwyczaj na kondygnacjach technicznych. Zdecentralizowany system ogrzewania można podłączyć poprzez zbiornik buforowy do dowolnego źródła ciepła w budynku. Dlatego też żadne zmiany czy modernizacje dostawy ciepła w budynku nie wpłyną na funkcjonalność węzłów mieszkaniowych. Zdecentralizowany systemy ogrzewania to alternatywa dla tradycyjnych układów centralnego ogrzewania i podgrzewania wody, takich jak:
Układy centralnego ogrzewania z centralnym podgrzewaniem c.w.u., zasilane z kotłów olejowych i gazowych lub z sieci cieplnej.
Kotły opalane gazem, zainstalowane w każdym mieszkaniu w celu wytwarzania ciepła i ciepłej wody użytkowej.
Podgrzewacze elektryczne — wytwarzanie ciepłej wody użytkowej następuje za pomocą małych podgrzewaczy elektrycznych zlokalizowanych w każdym mieszkaniu.
Obliczenia wykazały, że układy zdecentralizowane mają mniejsze zapotrzebowanie na energię końcową, co jednocześnie wpływa na obniżenie kosztów.
7.1 Rekomendowane struktury instalacji grzewczych w systemach zdalaczynne
Spełnienie wymagań WT’21 [71] bez zmiany topologii układu instalacji c.o. i c.w.u., a także wykorzystania odnawialnych źródeł energii może okazać się niemożliwe.
W budynkach, w których zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania c.w.u. stanowi 50%
bilansu energetycznego, konieczne staje się poszukiwanie rozwiązań w źródle ciepła.
W wyniku przeprowadzonych analiz rekomenduje się rozwiązania z wykorzystaniem węzła cieplnego bez udziału OZE (Rysunek 7.1) oraz z udziałem OZE (Rysunek 7.2), które współpracują z odnawialnymi źródłami ciepła, np. z kolektorami słonecznymi do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Ciepło dostarczone do budynku powinno pracować w układzie skojarzonym oraz posiadać współczynnik wykorzystania energii odnawialnej poniżej 1,0.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 91 z 118 Rysunek 7.1 Źródło ciepła lokalne dla budynków niemal zero energetycznych oparte na miejskiej sieci
cieplnej.
Źródło: Opracowanie własne.
Rysunek 7.2 Źródło ciepła lokalne dla budynków niemal zero energetycznych oparte na miejskiej sieci współpracujące z kolektorami słonecznymi pokrywającymi w 50% zapotrzebowanie na ciepło dla
c.w.u.
Źródło: Opracowanie własne.
Zaproponowane powyższe układy mają różne źródła ciepła, które są powszechnie stosowane, tzn. kocioł lub węzeł cieplny współpracują z mini węzłami mieszkaniowymi.
Biorąc pod uwagę przeanalizowane struktury źródeł ciepła dla budynków niemal zero energetycznych, rekomendowanym źródłem ciepła dla budynków niemal zero energetycznych
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 92 z 118
w przestrzeni miejskiej są układy z mini węzłami mieszkaniowymi, a źródłem ciepła jest układ wielopaliwowy.
Rozwój systemów ciepłowniczych będzie stanowił bazę do budowy nowych mocy kogeneracyjnych, które są niezbędne dla poprawy bilansu mocy w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym służących do budowy budynków niemal zero-energetycznych. Jednym z elementów krajowej strategii zaopatrzenia w ciepło powinien być plan rozwoju kogeneracji, pozwalający w pełni wykorzystać potencjał tego sektora. Do najważniejszych technologii, które przekształcą systemy ciepłownicze w efektywne oraz będą sprzyjały rozwojowi budynków zero-energetycznych można zaliczyć trzy grupy technologiczne:
Źródła OZE. mieszkaniowe, gdzie jest eksploatowany system niskotemperaturowy, a obiekty charakteryzują się wysoką efektywnością energetyczną.
Proponowanymi układami technologicznymi dla mniejszych systemów są układy pracujące w skojarzeniu, do wykorzystania których można zaliczyć:
Kocioł na biomasę.
Kocioł na biomasę z magazynem ciepła pracujące w podstawie oraz pracujący w szczycie zmodernizowany kocioł na gaz.
Jednostka kogeneracyjna na gaz pracująca w podstawie (c.w.u. i częściowo c.o.) oraz kocioł na biomasę pracujący przez większą część sezonu grzewczego. Dodatkowo pracujący w szczycie zmodernizowany kocioł na węgiel lub nie wymagający modernizacji kocioł na gaz lub olej. Jest możliwe uzupełnienie tego ciągu technologicznego magazynem ciepła. Zastosowanie ograniczone do miejskich systemów ciepłowniczych, w których jednostka CHP może być podłączona do sieci gazowej. Dodatkowym wymogiem jest świadczenie usługi całorocznej, tzn.
podgrzewanie ciepłej wody użytkowej c.w.u.
Wykorzystanie źródeł OZE jest konieczne konfiguracji technologicznej zwłaszcza dla dużych układów pracujących w kogeneracji. W przypadku zastosowania samej kogeneracji, która wykorzystuje paliwa kopalne, próg udziału w ogólnej produkcji wynosi 75%. W przypadku systemu opartego na kogeneracji i źródle OZE, próg wynosi 50%. Daje to możliwość ustalenia optymalnego udziału kogeneracji w danym systemie, dopasowanego do jego specyfiki.
Kogeneracja gazowa jest rozwiązaniem preferowanym, ponieważ dostarcza nowe moce do Krajowego Systemu Energetycznego, pozwala wykorzystywać paliwo z bardzo wysoką sprawnością przy dłuższym przeciętnym czasie pracy jest rentowna.
7.2 Rekomendowane struktury źródeł ciepła autonomicznych
Obserwowany rozwój technologii produkcyjnej ogniw fotowoltaicznych i kolektorów słonecznych, wzrost wydajności, trwałości i odporności na warunki atmosferyczne oraz możliwość zmiany ich kształtu oraz koloru powoduje, że tradycyjne materiały i urządzenia pozyskiwania energii mogą być zastąpione przez kolektory słoneczne (Rysunek 7.2) i fotoogniwa. Wykorzystanie takich źródeł wymaga pogłębionych analiz, a poprawne wykonanie budynku niemal zero-energetycznego wymaga specjalnego podejścia do procesu inwestycyjnego już na etapie projektowania. Rekomendowane struktury pracujące
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 93 z 118
z skojarzeniu (Rysunek 7.3) wykorzystują np. zasilanie z wykorzystaniem kotłów na biomasę bez udziału kolektorów słonecznych oraz z udziałem kolektorów słonecznych (Rysunek 7.4).
Jednocześnie istotne jest aby współczynnik wykorzystania energii odnawialnej był mniejszy od 1,0.
Rysunek 7.3 Źródło ciepła lokalne dla budynków niemal zero energetycznych oparte na kotle (kocioł na biomasę, olej opalowy lub gaz).
Źródło: Opracowanie własne.
Rysunek 7.4 Źródło ciepła lokalne dla budynków niemal zero energetycznych oparte na kotle (kocioł na biomasę, olej opalowy lub gaz), współpracujące z kolektorami słonecznymi pokrywającymi w 50%
zapotrzebowanie na ciepło dla c.w.u.
Źródło: Opracowanie własne.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 94 z 118
Rozwinięciem idei budynku energooszczędnego, o niemal zerowym użyciu energii oraz budynku pasywnego jest budynek autonomiczny, którego założeniem jest jak najmniejsze zużycie energii oraz możliwości funkcjonowania niezależnie od infrastruktury zewnętrznej.
Budynek taki nie wymaga dostarczenia z zewnątrz energii elektrycznej, wody, gazu oraz odbioru ścieków i wody opadowej. Pełna niezależność od dostaw mediów zewnętrznych jest aktualnie trudna do osiągnięcia i wymaga zmiany nawyków użytkowników budynku.
Budynek autonomiczny korzysta z ogrzewania pasywnego czyli wykorzystuje naturalne źródła ciepła. W związku z tym, do ogrzewania budynku autonomicznego stosuje się kolektory słoneczne oraz pompy ciepła, a także odpowiedna bryła budynku i właściwe usytuowanie powierzchni przeszkolnych. Co więcej, wspomaganie ogrzewania budynku powinno odbywać się za pomocą wymiennika ciepła czy rekuperatora.
Popularnym rozwiązaniem na cele c.w.u. w budynku autonomicznym jest uzyskanie c.w.u. z podgrzewania jej za pomocą kolektorów słonecznych. W okresie wiosenno – letnim prawidłowo dobrana instalacja solarna jest w stanie pokryć około 70% energii, która w tradycyjnej instalacji zużywana jest do pogrzania wody. Ważnym elementem jest wspomaganie ogrzewania za pomocą kotła, włączonego za pomocą termostatu. Dodatkowo, należy pamiętać o dobrej izolacji zbiornika wody, który powinien działać na zasadzie termosu.
W zbiorniku gromadzona jest woda, która nagrzewa się w okresie słonecznych dni i jest magazynowana do późniejszego wykorzystania.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 95 z 118
8. Wnioski
Rozwój budynków pasywnych i ostatnio niemal zero-energetycznych powoduje znaczne zmniejszenie potrzeb cieplnych do ogrzewania w porównaniu z budynkami budowanymi dotychczas (energia użytkowa – QH,nd). Jednocześnie udział zużycia energii do podgrzewania ciepłej wody użytkowej (QW,nd) – szczególnie w budownictwie mieszkaniowym, wzrasta do ponad 50% w stosunku do ogrzewania.
Równolegle należy również zapewnić małe zużycie energii końcowej (QK,H; QK,W), na co wpływ ma topologia układów: grzewczego (c.o.) i ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) oraz efektywność ich komponentów. Stąd też niezbędna jest systemowa ocena, prowadzona równocześnie, która obejmuje:
Charakterystykę cieplną i powietrzną budynku.
Technikę instalacyjną w zakresie ogrzewania, wentylacji i ciepłej wody użytkowej.
Pochodzenie i konwersja energii oraz źródła ciepła (energii) lokalne i zdalaczynne.
Wnioski wynikające z charakterystyki cieplnej budynku:
1. Na zapotrzebowanie ciepła użytkowego budynku do ogrzewania mają wpływ parametry środowiska zewnętrznego i wewnętrznego, charakterystyka cieplna i powietrzna obudowy i sposób wentylacji, zyski od słońca i źródeł wewnętrznych, w tym od instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej znajdujących się wewnątrz osłony izolacyjnej budynku.
2. Na zapotrzebowanie ciepła użytkowego do ogrzewania i podgrzewania ciepłej wody użytkowej znaczny wpływ ma również profil użytkowania pomieszczeń i zachowanie użytkowników.
3. Obniżanie współczynników przenikania ciepłą obudowy budynku poniżej 0,12-0,15 W/m2K nie daje już efektów, gdyż wówczas kluczowe znaczenie ma szczelność budynku i kontrola wentylacji.
Wnioski wynikające z efektywności techniki instalacyjnej c.o. oraz c.w.u.:
1. Z przeprowadzonych analiz wynika, że na zapotrzebowanie energii końcowej do c.o.
i podgrzewania c.w.u. istotny wpływ ma topologia układów technicznych i ich efektywność energetyczna, a także sposób lokalizacji w budynku. Im mniejsze jest zapotrzebowanie na energię użytkową, tym w/w elementy są coraz bardziej istotne przy wyznaczaniu zapotrzebowania na ciepło. Stąd też na efektywność energetyczną układów wpływają następujące elementy: niskie temperatury zasilania, duża efektywność regulacji, niskie straty dystrybucji i akumulacji, wysoka sprawność źródeł ciepła oraz niskie zużycie energii pomocniczej (pompy, wentylatory).
2. Analizy wykazały, że należy kontrolować zyski lub straty komponentów układów c.o.
2. Analizy wykazały, że należy kontrolować zyski lub straty komponentów układów c.o.