Ocena systemu ogrzewania 2014

dr inż. Paweł Kędzierski
Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa Politechniki Warszawskiej
Narodowa Agencja Poszanowania Energii S.A.
Ocena systemu ogrzewania budynku
System ogrzewania budynku można oceniać wg różnych kryteriów, takich jak: poziom komfortu cieplnego w ogrzewanych pomieszczeniach, koszt inwestycyjny i eksploatacyjny, estetyka i łatwość
obsługi, efektywność energetyczna, czy wreszcie oddziaływanie zastosowanego źródła energii na
środowisko naturalne. Nagromadzenie informacji komercyjnych, szum kampanii reklamowych, twarde
reguły gospodarki rynkowej powodują, iż inwestorom trudno jest trzeźwo ocenić wskazany system,
często odnoszą oni wrażenie że nie ma dobrego systemu, lub że każdy jest najlepszy. Pewną systematykę m.in. w zakresie oceny systemu ogrzewania ma wprowadzić Dyrektywa 2002/91/EC Parlamentu Europejskiego i długo wyczekiwane „Rozporządzenie MIiR w sprawie metodologii obliczania
charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego […] oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej” z dn. 3.06.2014 r.
Świadectwo charakterystyki energetycznej budynku, wykonywane na podstawie ww. Rozporządzenia, w odniesieniu do systemu ogrzewania powinno m.in. zawierać: charakterystykę (identyfikację) systemu ogrzewania budynku, określenie średniej sezonowej sprawności całkowitej systemu
ogrzewania budynku ocenianego (ηH,tot) oraz rocznego zapotrzebowania na energię końcową QK,H
dla ogrzewania i wentylacji. Zakłada się w tym miejscu normatywne, czyli zgodne z „Rozporządzeniem MI […] w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie”
(WT2014), warunki użytkowania budynku czy lokalu mieszkalnego.
Najistotniejszym elementem oceny systemu ogrzewania jest określenie jego sprawności eksploatacyjnej, która jest miarą efektywności energetycznej i pośrednio uwzględnia większość wymienionych na wstępie kryteriów. Sprawność ta, inaczej zwana średnią sezonową sprawnością systemu,
definiowana jest jako:
ηH =
Qr
Qd
gdzie:
Qd – energia dostarczona do systemu w ciągu sezonu ogrzewczego,
Qr – energia jaka byłaby rozpraszana z pomieszczeń budynku w ciągu sezonu ogrzewczego
przy założeniu utrzymania w nich określonej temperatury wewnętrznej.
Istnieją dwie metody określenia sprawności sezonowej: bezpośrednia i pośrednia. Metoda
bezpośrednia polega na bezpośrednim wyznaczeniu wartości Qr i Qd. Wielkość Qr może być zdefiniowana jako sezonowe zapotrzebowanie ciepła do ogrzewania, i określona przy użyciu rozpowszechnionych metod obliczeniowych: dla średnich (wieloletnich) miesięcznych wartości temperatury zewnętrznej i dla średniej w ciągu sezonu ogrzewczego temperatury wewnątrz pomieszczeń. Należy tu
założyć, że energia Qd dostarczona do systemu ogrzewania jest znana na podstawie pomiarów zużycia paliwa lub ciepła.
Metoda pośrednia wyznaczania sprawności systemu ogrzewania polega na wyznaczeniu
sprawności następujących procesów: wytwarzania (przemiany energii chemicznej paliwa w ciepło),
akumulacji ciepła w elementach pojemnościowych, transportu (dystrybucji) nośnika ciepła w obrębie
budynku – ze źródła do odbiorników ciepła (miejsca emisji), regulacji i wykorzystania ciepła w przestrzeni ogrzewanej, tzn. od odbiorników ciepła (np. grzejników) do powietrza wewnętrznego oraz dostosowania ilości ciepła dostarczanego do pomieszczenia do jego rzeczywistych, chwilowych potrzeb
cieplnych, uwzględniających wewnętrzne i zewnętrzne zyski ciepła. Sprawność systemu ogrzewania
określa zależność:
1
ηH ,tot = ηH ,g ⋅ ηH ,s ⋅ η H ,d ⋅ ηH ,e
gdzie:
ηH,g – sprawność wytwarzania ciepła, zależna od konstrukcji urządzenia produkującego ciepło, rodzaju paliwa bądź źródła energii,
ηH,s – sprawność akumulacji ciepła w elementach pojemnościowych systemu grzewczego
budynku w obrębie osłony bilansowej lub poza nią, zależna od parametrów nośnika
ciepła i stopnia izolacji cieplnej zbiornika buforowego,
ηH,d – sprawność dystrybucji ciepła, zależna od odległości na jaką przesyłane jest ciepło i jakości izolacji cieplnej instalacji (głównie sieci przewodów),
ηH,e – sprawność regulacji i wykorzystania ciepła w budynku, zależna od rodzaju odbiorników, nośnika ciepła i zastosowanych urządzeń regulacyjnych (regulacja centralna,
strefowa, miejscowa, adaptacyjna).
Wartości składowych sprawności całkowitej należy przyjmować biorąc pod uwagę obowiązujące
przepisy, z dokumentacji technicznej budynku, danych katalogowych urządzeń, wykorzystując wiedzę
techniczną i wizję lokalną obiektu lub z tabel zawartych w załącznikach do powołanego Rozporządzenia. Poniżej przytoczono najważniejsze pozycje tabel z obowiązującego Rozporządzenia, wszędzie
chodzi o średnie sprawności sezonowe.
Tabela 1. Wartości sprawności wytwarzania ciepła w źródłach (z Tabeli 2 w Rozporządzeniu)
Lp.
Rodzaj źródła ciepła
ηH,g
1
2
3
4
Kotły węglowe wyprodukowane po 2000 r.
Kotły węglowe wyprodukowane w latach 1980-2000
Kotły węglowe wyprodukowane przed 1980 r.
Kotły na biomasę (słoma) wrzutowe z obsługą ręczną o mocy do
100 kW
Kotły na biomasę (drewno: polana, brykiety, palety, zrębki) wrzutowe z obsługą ręczną o mocy do 100 kW
Kotły na biomasę (drewno: polana, brykiety, palety, zrębki) automatyczne o mocy powyżej do 100 kW
Kotły na biomasę (drewno: polana, brykiety, palety, zrębki) automatyczne o mocy powyżej 100 kW do 600 kW
Kominki z zamkniętą komorą spalania
Piece kaflowe
Podgrzewacze elektryczne - przepływowe
Elektryczne grzejniki bezpośrednie: konwektorowe, płaszczyznowe,
promiennikowe i podłogowe kablowe
Piece olejowe lub gazowe pomieszczeniowe
Kotły na paliwo gazowe lub płynne z otwartą komorą spalania (palnikami atmosferycznymi) i dwustawną regulacją procesu spalania
Kotły niskotemperaturowe na paliwo gazowe lub płynne z zamkniętą komorą spalania i palnikiem modulowanym
- do 50 kW
- 50-120 kW
- 120-1200 kW
1)
Kotły gazowe kondensacyjne
- do 50 kW
- 50-120 kW
- 120-1200 kW
o
Pompy ciepła sprężarkowe typu woda/woda 55/45 C
Węzeł ciepłowniczy kompaktowy z obudową
- do 100 kW
- powyżej 100 kW
Węzeł ciepłowniczy kompaktowy bez obudowy
- do 100 kW
- 100-300 kW
- powyżej 300 kW
0,82
0,65
0,60
0,63
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
2
0,65
0,70
0,85
0,70
0,80
0,94
0,99
0,84
0,86
0,87
0,91
0,94
0,94
0,95
0,98
3,60
0,98
0,99
0,91
0,93
0,95
Tabela 2. Wartości sprawności regulacji i wykorzystania ciepła (z Tabeli 3 w Rozporządzeniu)
Lp.
Rodzaj instalacji
ηH,e
1
2
Ogrzewanie piecowe z kominka
Ogrzewanie wodne z grzejnikami członowymi lub płytowymi w przypadku
regulacji:
a) centralnej bez automatycznej regulacji miejscowej
b) automatycznej miejscowej
c) centralnej i miejscowej z zaworem termostatycznym o działaniu proporcjonalnym z zakresem proporcjonalności P-2K
d) centralnej i miejscowej z zaworem termostatycznym o działaniu proporcjonalnym z zakresem proporcjonalności P-1K
e) centralnej i miejscowej z zaworem termostatycznym o działaniu proporcjonalno-całkującym PI z funkcjami adaptacyjną i optymalizującą
Ogrzewanie wodne podłogowe w przypadku regulacji:
a) centralnej bez regulacji miejscowej
b) centralnej i miejscowej z zaworem dwustawnym lub proporcjonalnym P
Ogrzewanie wodne płaszczyznowe w przypadku regulacji centralnej bez reo
gulacji miejscowej, dla temperatury zasilania poniżej 30 C
0,70
3
4
0,77
0,82
0,88
0,89
0,93
0,76
0,89
0,85
Tabela 3. Wartości sprawności dystrybucji ciepła (z Tabeli 6 w Rozporządzeniu)
ηH,d
Lp.
Rodzaj instalacji ogrzewczej
1
Źródło ciepła w pomieszczeniu (ogrzewanie elektryczne, piec kaflowy, kominek)
Ogrzewanie mieszkaniowe (wytwarzanie ciepła w przestrzeni lokalu mieszkalnego)
Ogrzewanie centralne wodne z lokalnego źródła ciepła usytuowanego w
ogrzewanym budynku:
a) z zaizolowanymi przewodami, armaturą i urządzeniami, które są zainstalowane w pomieszczeni ogrzewanej
b) z zaizolowanymi przewodami, armaturą i urządzeniami, które są zainstalowane w pomieszczeni nieogrzewanej
c) z niezaizolowanymi przewodami, armaturą i urządzeniami, które są zainstalowane w pomieszczeni nieogrzewanej
Ogrzewanie powietrzne
2
3
4
Tabela 4. Wartości sprawności akumulacji ciepła (z Tabeli 8 w Rozporządzeniu)
Lp.
1
2
3.
4.
5.
ηH,s
Parametry zasobnika buforowego i jego usytuowanie
o
Zbiornik buforowy w systemie ogrzewczym o parametrach 70/55 C
przestrzeni ogrzewanej
o
Zbiornik buforowy w systemie ogrzewczym o parametrach 70/55 C
przestrzeni nieogrzewanej
o
Zbiornik buforowy w systemie ogrzewczym o parametrach 55/45 C
przestrzeni ogrzewanej
o
Zbiornik buforowy w systemie ogrzewczym o parametrach 55/45 C
przestrzeni nieogrzewanej
System ogrzewczy bez zbiornika buforowego
3
w
0,93
w
0,90
w
0,95
w
0,93
1,00
1,00
1,00
0,96
0,90
0,80
0,95
Należy wspomnieć, iż w Rozporządzeniu podano również sposób dokładnego określania
sprawności akumulacji i dystrybucji (Tabele 5 i 7 w Rozporządzeniu), jednak nie należy przypuszczać,
że będą one często stosowane. Rozporządzenie dopuszcza możliwość przyjmowania wartości średnich poszczególnych sprawności zaprezentowanych w tabelach powyżej.
Systemy o większej sprawności zużywają mniej energii, zapewniają lepsze warunki komfortu
cieplnego, są wygodniejsze w obsłudze i mniej uciążliwe dla środowiska. Analiza zaproponowanych w
Rozporządzeniu wartości współczynników sprawności pozwala zauważyć, iż spośród dostępnych
źródeł ciepła preferowane są systemy ogrzewania elektrycznego, systemy scentralizowane (miejskie
cieci ciepłownicze) oraz pompy ciepła. Najmniejszymi stratami dystrybucji charakteryzują się instalacje
centralne z zaizolowaną siecią przewodów, a brakiem strat przesyłu tzw. ogrzewania miejscowe, bądź
instalacje mieszkaniowe umożliwiające precyzyjny pomiar zużywanego przed dany lokal ciepła. Z kolei
najlepsza jakość regulacji dostawy ciepła ma miejsce w instalacjach centralnych z grzejnikami członowymi lub płytowymi wyposażonych w układy regulacji centralnej pogodowej (jakościowej nadążnej) i
miejscowej (ilościowej zaworami termostatycznymi) oraz adaptacyjnej.
Proponowane wartości mają swoje (lepiej lub gorzej opisane) uzasadnienie teoretyczne związane z termodynamiką, wymianą ciepła, mechaniką płynów czy fizyką budowli. Jak wiadomo np.
sprawność regulacji uwarunkowana jest poziomem strat ciepła przy dostarczaniu do pomieszczeń
nadmiernych ilości ciepła w stosunku do ilości określonej przez aktualne zapotrzebowanie na ciepło
budynku. Definiowana jest jako iloraz zapotrzebowania na ciepło przy użyciu danego systemu regulacji, do zapotrzebowania ciepła przy użyciu regulacji doskonałej, tj. takiej, która natychmiast dostosowuje system do temperatury zewnętrznej i do poziomu zysków wewnętrznych. Jej wartość określa się
z wzoru:
ηr = 1 − (1 − ηco ) ⋅ 2 ⋅ GLR
gdzie:
ηco – współczynnik regulacji zależny od zastosowanych urządzeń regulacyjnych i pojemności
wodnej grzejników (przyjmuje się wartości od 0,75 do 0,99),
GLR – stosunek sumy zysków ciepła do sumy strat ciepła budynku.
Na potrzeby oceny energetycznej budynków, jak i audytingu energetycznego, do Rozporządzenia wprowadzono konkretne wartości współczynników sprawności dla większości spotykanych systemów ogrzewania i rozwiązań technicznych. Wartości te określone zostały przez eksperckie grupy
robocze na podstawie dostępnych wyników badań i analiz miarodajnej grupy budynków, obliczeń analitycznych i danych doświadczalnych, jak i przy wykorzystaniu wiedzy zgromadzonej przez ostatnią
dekadę „termomodernizacji praktycznej”. Takie ujęcie znacznie upraszcza metodykę określania
sprawności sytemu ogrzewania.
Zadaniem eksperta, najczęściej nie mającego obszernej wiedzy z dziedziny ogrzewnictwa, jest
zatem zdiagnozowanie (rozpoznanie) systemu ogrzewania w budynku ocenianym i przypisanie mu
odpowiednich wartości współczynników sprawności.
Należy pamiętać, iż szacowane w ten sposób sprawności wpływają na niepewność określenia
końcowego, rocznego zużycia energii do ogrzewania i wentylacji, określanego z zależności:
Q Hi = u i ⋅
Q H ,nd
ηHi
gdzie:
ui
– udział i-tego nośnika energii w rocznym zużyciu energii do ogrzewania,
QH,nd – roczne zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i wentylacji budynku lub lokalu
mieszkalnego, obliczane bez uwzględnienia instalacyjnych strat ciepła, dla systemu
ogrzewania związanego, kWh/a,
ηHi – sprawność całkowita systemu ogrzewania zasilanego z i-tego nośnika energii.
Analizę wrażliwości obliczanego rocznego zużycia energii na szacowane wartości współczynników sprawności przedstawia rysunek 1.
4
Niepewności określenia względniej sprawności całkowitej, %
Niepewność rocznego zużycia energii,
%
35
5
10
15
20
30
25
20
15
10
5
0
50
60
70
80
90
95
99
Sprawność systemu ogrzewania, %
Rys.1 Wartość niepewności szacowania sezonowego zużycia energii dla wybranej sprawności całkowitej w zależności od oczekiwanego błędu względnego ∆η szacowania sprawności.
Jak wynika z rysunku 1 zawyżenie sprawności całkowitej systemu o 5% przy założeniu, że wartość oczekiwana sprawności wynosi 80% powoduje niepewność szacowania zużycia energii na poziomie 6%. Wartości sprawności podane w Rozporządzeniu (poza przypadkiem sprawności wytwarzania starych kotłów węglowych i pieców kaflowych) charakteryzuje niewielki przedział zmienności,
tym samym wynik obliczeń rocznego zużycia energii podawany będzie z niepewnością dopuszczalną
dla obliczeń inżynierskich.
Osobnym zagadnieniem, nie poruszanym na razie w Rozporządzeniu, jest sposób eksploatacji budynku i instalacji ogrzewania. Jak wynika z przeprowadzonych analiz, nawet nowoczesne systemy wyposażone w urządzenia renomowanych firm, nie gwarantują niskich kosztów ogrzewania i wysokiej efektywności energetycznej. Bardzo istotne jest dostosowanie mocy źródła ciepła do rzeczywistych potrzeb cieplnych obiektu i staranna eksploatacja systemu ogrzewania głównie w warunkach
zmiennego w czasie obciążenia cieplnego, znacznie niższego od obciążenia obliczeniowego.
Ekspert oceniający system ogrzewania budynku nie powinien zatem ograniczać się do uzyskania podstawowych informacji dotyczących typu, rodzaju i parametrach pracy instalacji, zastosowanego systemu zabezpieczającego i odpowietrzającego, rodzaju grzejników i armatury, sposobie regulacji hydraulicznej czy wreszcie izolacji termicznej przewodów. Powinien koniecznie dokonać diagnozy
stanu technicznego poszczególnych elementów instalacji, ale również zasięgnąć opinii użytkowników
odnośnie uzyskiwanych w pomieszczeniach warunków komfortu cieplnego. Powinien ocenić jakość
zastosowanej metody określania zużycia energii przez poszczególnych odbiorców, sposób rozliczania
kosztów ogrzewania, lecz także sposób eksploatacji instalacji i obiektu.
5