To TYLKO informatyka

ANALIZA WARUNKÓW EFEKTYWNEGO ZASILANIA BUDYNKU
MIESZKALNEGO W CIEPŁO
Autorzy: Mariusz Aleksiewicz, Arkadiusz Rajs
("Rynek Energii" - 12/2014)
Słowa kluczowe: efektywność energetyczna, zużycie energii, pompa ciepła, ogrzewanie niskotemperaturowe,
dom pasywny
Streszczenie. W artykule przedstawiono analizę warunków efektywnego zasilania budynku mieszkalnego w
ciepło. Pokazano założenia projektowania i budowy domu jednorodzinnego, którego cechą charakterystyczną
jest oszczędność energetyczna, uniezależnienie od zewnętrznych dostawców energii cieplnej oraz względnie
niskie koszty utrzymania. Bezpośrednie konsultacje z inwestorami pozwoliły na przedstawienie tych zagadnień
w sposób kompleksowy - od wyboru projektu, przez dobór materiałów i technologii budowlanych, właściwą
organizację prac do wykorzystania nowoczesnych rozwiązań w zakresie ogrzewania.
1. WSTĘP
Sektor budownictwa całej Unii Europejskiej odpowiada za wykorzystanie około 40% końcowego zużycia energii. W związku z tym w wielu krajach, w tym również w Polsce, realizowane są projekty mające na celu zapewniania technicznego oraz finansowego wsparcia dla
inwestycji charakteryzujących się oszczędnością energii oraz zmniejszaniem strat ciepła. W
ujęciu makroekonomicznym, poprawa efektywności energetycznej oraz zagadnienia związane
z termomodernizacją budynków i poszukiwaniem metod oszczędności zużycia energii są bardzo istotne w kontekście ograniczania emisji gazów cieplarnianych, zwiększania bezpieczeństwa dostaw i ograniczania wydatków na import energii.
Inwestycję budowlaną, która była przedmiotem analizy, projektowano z myślą o wielopoziomowym podejściu do efektywnego zasilania budynku w ciepło. Inwestorzy, wraz z biurem
projektowym oraz specjalistami w zakresie ogrzewania od początku wychodzili z założenia,
iż koniecznym jest zachowanie równowagi pomiędzy budżetem całego projektu, a kosztami
rozwiązań proekologicznych wspierających oszczędność ciepła.
Udało się to osiągnąć dzięki dobraniu właściwych materiałów budowlanych, które gwarantują
odpowiednią izolację lub w przypadku niektórych - przewodność cieplną.
2. ENERGIA, EGZERGIA
Nieodłącznym pojęciem w przypadku rozpatrywania efektywności energetycznej systemów
cieplnych jest pojęcie egzergii. Określa ona poziom sprawności energetycznej różnych obie-
gów cieplnych oraz umożliwia wskazanie, w którym miejscu danego procesu dochodzi do
największych strat. Termin egzergia został wprowadzony w 1955r. przez Z. Ranta, odnosząc
się do zdolności do wykonywania pracy, czyli rodzaju energii, która może służyć do gromadzenia energii. Cechuje ją ilość i jakość, a w trakcie wykorzystywania - ulega zniszczeniu.
Uwzględniając bogactwa naturalne występujące w przyrodzie, L. Reikert przedstawił egzergię
jako "minimalną ilość pracy, jaką należy wykonać, by z powszechnie występujących składników otaczającej przyrody wytworzyć wymaganą substancję o wymaganych parametrach, wykorzystując otaczającą przyrodę jako źródło ciepła bezwartościowego pod względem termodynamicznym". Bilans egzergii można wyznaczyć przy pomocy zależności (1):
(1)
gdzie:
-
- egzergia substancji doprowadzanych do układu,
- przyrost egzergii układu,
-
- egzergia użyteczna wprowadzonych produktów użytecznych,
- praca mechaniczna lub elektryczna wykonana przez układ,
- przyrost egzergii zewnętrznego źródła ciepła działającego na osłonie kontrolnej
układu,
-
,
- wewnętrzna i zewnętrzna strata egzergii.
Z fizycznego punktu widzenia bardzo istotnym jest pojęcie strat egzergii, którą wyraża się
iloczynem entropii generowanej i temperatury otoczenia [7]. Wykonywanie analizy egzergetycznej ma na celu wykrywanie i szacowanie ilościowe przyczyn niedoskonałości w obszarze
termodynamiki procesów cieplnych [6].
Wykorzystując egzergię oraz jej straty w [6] dokonano analizy wyników uzyskanych w trakcie pomiarów zużycia energii przez dom pasywny i dom zbudowany w tradycyjny sposób.
Udowodniono, że całkowite obciążenie cieplne domu klasycznego jest ponad dwa razy większe niż domu zbudowanego przy użyciu materiałów wysoce izolujących. Pokazano, iż straty
egzergii w momencie produkcji ciepła przekazywanego do instalacji centralnego ogrzewania
w domu pasywnym są ośmiokrotnie niższe niż tradycyjnym [6]. W ten sposób potwierdzono,
iż właściwy dobór materiałów budowlanych, których cechą charakterystyczną jest wysoki
poziom izolacji cieplnej (w niektórych przypadkach przewodności cieplnej), wpływa bardzo
korzystnie na poziom sprawności planowanych systemów ogrzewania.
Analiza dokumentacji budowlanej budynku, który był przedmiotem naszych rozważań potwierdziła, iż inwestorzy wychodzili z założenia, by na każdym z etapów minimalizować
straty ciepła. Ściany nośne budynku zostały zbudowane z betonu komórkowego o grubości
24cm o deklarowanym współczynniku przewodzenia ciepła λ wynoszącym 0,095 W/(mK),
zmierzonym przy temperaturze 10°C. Dom został zaizolowany od zewnątrz przy pomocy płyt
styropianowych (EPS70) o grubości 20cm i współczynniku przewodzenia ciepła 0,038
W/(mK). Pod posadzkami zastosowano warstwę izolacji styropianowej (EPS100) o grubości
10cm (parter) i 5 cm (piętro) oraz współczynniku λ na poziomie 0,036 W/(mK). Poddasze
użytkowe zostało ocieplone przy pomocy wełny mineralnej o grubości 33cm - dwie warstwy:
18cm i 15cm ułożone w taki sposób by wyeliminować straty ciepła. Wełnę cechował współczynnik przewodzenia 0,032 W/(mK).
3. SYSTEM OGRZEWANIA
Wybór sposobu ogrzewania budynku mieszkalnego jest zagadnieniem, które dla inwestorów
zawsze stanowi bardzo istotny element projektowania kosztów samej inwestycji, jak również
planowania przyszłej eksploatacji. Decyzja o wyborze danego systemu zasilania budynku w
energię cieplną powinna opierać się nie tylko na cenie paliwa lecz również na kosztach urządzeń systemu oraz kosztach eksploatacji w przyszłości (np. koszty przeglądów, koniecznych
wymian, itp.). Składniki kosztów wytworzenia energii z różnych źródeł pokazuje tabela 1 [9].
Tabela 1 Składniki kosztów wytworzenia energii
Rodzaj kosztów
Źródła
konwencjonalne
Źródła
odnawialne
Amortyzacja urządzeń
20-30 %
(koszty inwestycyjne)
60-95 %
Paliwa
i energia dodatkowa
30-60 %
0-10 %
Obsługa i remonty
20-40 %
5-10 %
Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów instalacji grzewczych. Różnica pomiędzy nimi wynika przede wszystkim z rodzaju stosowanego źródła energii - od ogrzewania z wykorzystaniem gazu, przez ogrzewanie elektryczne, ogrzewanie paliwem stałym, kominkowe do alternatywnych źródeł ogrzewania.
W Polsce, jednym z najbardziej popularnych paliw grzewczych jest gaz. O ile jest dostarczany do odbiorców gazociągiem – jego koszt jest porównywalny z zasilaniem budynku z sieci
ciepłowniczej. W płynnej postaci, nie jest rozwiązaniem cenowo konkurencyjnym w porównaniu do innych paliw. Dodatkowym problemem jest w takim przypadku konieczność oddzielnej, fachowej instalacji zbiornika do przechowywania gazu oraz osobnej instalacji kotła
gazowego. Z uwagi na konieczność zapewnienia bardzo dobrej wentylacji oraz stosunkowo
duże gabaryty zbiornika, bardzo często instalowany jest poza budynkiem.
Kolejnym, wartym rozważenia, sposobem ogrzewania budynku jednorodzinnego jest ogrzewanie elektryczne. Faktem jest, iż z uwagi na ceny energii elektrycznej w Polsce, taki sposób
ogrzewania jest stosunkowo drogi. Należy jednak pamiętać, iż w przeciwieństwie do innych
metod ogrzewania, w tym przypadku nie ma konieczności budowy wydzielonej kotłowni,
wyposażania jej w dedykowany kocioł, budowy dodatkowego komina oraz instalacji centralnego ogrzewania z grzejnikami lub ogrzewaniem podłogowym. Analizując jednak koszt energii elektrycznej, pomijając początkowe wydatki inwestycyjne, wynika, iż wydatki na zakup
energii są przynajmniej kilkukrotnie większe niż np. w przypadku ogrzewania gazem ziemnym. Nie jest to zatem rozwiązanie uzasadnione ekonomicznie.
Ostatnie lata pokazują, iż na rynku paliw mamy do czynienia z tendencją wzrostu cen energii
elektrycznej oraz gazu (Tabela 2 przedstawia uśrednione ceny paliw, konkretne wartości mogą się wahać w zależności od wybranej taryfy i operatora). Rynek odbiorców nie pozostaje
bez reakcji i w konsekwencji tego trendu, firmy posiadające w swojej ofercie systemy ogrzewania paliwami stałymi takimi jak drewno, brykiety czy też pelet odnotowują znaczny wzrost
zamówień. Dane statystyczne [1] pokazują, iż w miesiącach zimowych, do ogrzania domu o
powierzchni 200m² potrzeba około 600m³ gazu. Jeśli założymy cenę gazu na poziomie ok.
2,45 zł/m³, to koszt ogrzewania gazem w miesiącach zimowych wyniesie około 1470zł (pomijamy dodatkowe opłaty abonamentowe). Jak wynika z [1], ogrzanie analogicznej powierzchni
mieszkalnej węglem wiąże się z zużyciem na poziomie 2 ton paliwa, co przy cenie ok. 650zł
za tonę daję wydatek 1300zł. Należy pamiętać, iż przytoczone wyliczenia mają charakter statystyczny i zapewne są obarczone pewnym błędem. Oddają jednak skalę problemu, nie
uwzględniając przy tym jednocześnie takich czynników jak grubość izolacji budynku czy też
stan techniczny i wydajność samej instalacji.
Tabela 2 Zmiany cen ogrzewania na przestrzeni lat
2002r.
2006r.
2010r.
2014r.
Gaz ziemny
1,10 zł/m3
1,45 zł/m3
2,00 zł/m3
3,80 zł/m3
Gaz ciekły (propan)
1,45 zł/l
2,10 zł/l
2,30 zł/l
2,15 zł/l
Olej
opałowy
1,50 zł/l
2,70 zł/l
2,85 zł/l
3,49 zł/l
Węgiel kamienny
450 zł/t
470 zł/t
740 zł/t
840 zł/t
Węgiel ekogroszek
brak danych
550 zł/t
800 zł/t
780 zł/t
Drewno kominkowe
120 zł/m3
150 zł/m3
180 zł/m3
190 zł/m3
Pelety
brak danych
550 zł/t
750 zł/t
780 zł/t
0,38 zł/kWh
0,49 zł/kWh
0,56 zł/kWh
Energia elektryczna całodobowa 0,32 zł/kWh
Energia elektryczna 2-strefowa
0,40/0,22 zł/kWh 0,44/0,23 zł/kWh 0,55/0,30 zł/kWh 0,58/0,33 zł/kWh
Codzienne użytkowanie kotłowni na paliwa stałe kojarzyło się do niedawna z brudem, brakiem estetyki oraz skomplikowaną obsługą. Obecne rozwiązania technologiczne sprawiają, iż
tego typu kotłownie to miejsca stosunkowo czyste i proste w eksploatacji. Niezmiennym
czynnikiem jest oczywiście konieczność produkcji i odprowadzania spalin, która relatywnie
wpływa na poziom czystości oraz komfort użytkowania. Należy również pamiętać o tym, iż w
konsekwencji ogrzewania z wykorzystaniem paliw stałych mamy do czynienia z koniecznością usuwania produktów spalania (żużel, popiół). Kluczowymi argumentami odrzucającymi
systemy ogrzewania paliwami stałymi były w tym przypadku: konieczność budowy oddzielnego komina, wydzielenie dodatkowego pomieszczenia do magazynowania (np. węgla), obniżony komfort użytkowania związany z regularnym czyszczeniem oraz porównywalne do
innych paliw koszty eksploatacji (w tym dobór oraz logistyka surowca oraz cena samego surowca).
Zupełnie inne zagadnienie stanowią tzw. alternatywne źródła energii w ogrzewaniu budynków mieszkalnych, które wykorzystują m.in. naturalne siły przyrody. Naturalne, czyli takie,
których zasoby są uzupełniane w procesach zachodzących w środowisku. Jak czytamy w [2],
hybrydowe podejście do wykorzystania energii odnawialnej i np. energii elektrycznej jest na
chwilę obecną rozwiązaniem najbardziej optymalnym. Idealnym przykładem rozwiązań hybrydowych, stosowanych do ogrzewania budynków są pompy ciepła.
Pompa ciepła to centralny element systemu grzewczego, którego zadaniem jest przemiana
ciepła niskiej temperaturze w ciepło o temperaturze wysokiej. W trakcie realizacji całego procesu jest ona w stanie wytworzyć dużo więcej energii niż sama potrzebuje do prawidłowego
funkcjonowania swojego układu. Do prawidłowej pracy pompa potrzebuje wydajnego i potrafiącego się stosunkowo szybko regenerować dolnego źródła ciepła. Czynnik chłodniczy obiegu dolnego źródła (niezamarzająca ciecz, np. mieszanina wody, alkoholu lub glikol) znajduje
się w obiegu zamkniętym w pompie i nie ma żadnego kontaktu z otoczeniem. Jego zadaniem
jest pozyskiwanie energii cieplnej z gruntu, wody lub powietrza. W parowniku, znajdującym
się w pompie ciepła, ogrzany czynnik obiegu z kolektora dolnego przekazuje ciepło czynnikowi krążącemu w obiegu wewnętrznym pompy. W kolejnym kroku gaz zostaje sprężony, a
ciepło wytworzone w trakcie tego procesu jest poprzez skraplacz przekazywane do instalacji
ogrzewania budynku (np. niskotemperaturowej instalacji ogrzewania podłogowego). Skroplony gaz, który przechodząc przez specjalny zawór ulega rozprężeniu, obniża ciśnienie i swoją
temperaturę. Następnie przepływa do parownika, w którym następuje przekazywanie ciepła
przez czynnik obiegu dolnego źródła i cały proces rozpoczyna się od nowa.
Pompa ciepła, która zostanie odpowiednio dobrana do wybranego systemu grzewczego (z
uwzględnieniem powierzchni, kubatury budynku oraz potrzeb użytkowników) jest praktycznie bezobsługowa. W miejscu eksploatacji pompy nie powstają żadne opary ani spaliny, zatem nie ma konieczności specjalnego wentylowania pomieszczenia. W przeciwieństwie do
większości tradycyjnych systemów ogrzewania, nie ma potrzeby budowania czy też instalowania zbiornika na paliwo takie jak gaz czy olej. Wadą jest jedynie cena samej pompy, która
jest kilkukrotnie wyższa niż np. wysokiej klasy kotły na paliwo stałe. Niemniej, oszczędności
płynące z jej przyszłej eksploatacji, a także efektywne wykorzystanie ciepła geotermalnego,
stosunkowo szybko rekompensują ten wydatek i w konsekwencji, po kilkunastu latach uzyskuje się zwrot z inwestycji.
Niewątpliwie najtańszym rozwiązaniem z punktu widzenia użytkownika końcowego jest
ogrzewanie ciepłem sieciowym. Korzystanie z niego nie wymaga żadnego magazynowania
czy też uzupełniania paliwa, nie wytwarza hałasu, zanieczyszczeń. Jest dostarczane w postaci
wody podgrzanej do odpowiedniej temperatury, poprzez co nie ma zagrożenia wybuchem czy
tez ryzyka zatrucia spalinami. Najważniejszą jednak zaletą jest niska cena przesyłu i wytworzenia ciepła sieciowego, która dodatkowo jest regulowana przez Urząd Regulacji Energetyki.
Niestety lokalizacja analizowanej inwestycji uniemożliwia skorzystanie z ciepła sieciowego,
co skutkowało koniecznością poszukiwania rozwiązań alternatywnych, które przy zachowaniu właściwego bilansu finansowego, pozwolą na uzyskanie analogicznej ilości ciepła i komfortu użytkowania. Na wykresie 1 przedstawiono koszty wytworzenia 1kWh ciepła w odniesieniu do wybranych metod ogrzewania (z pominięciem kosztów inwestycji).
Koszty wytworzenia 1 kWh ciepła
[zł/kWh]
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
1
2
3
4
5
6
7
Rys. 1. Koszty wytworzenia 1 kWh ciepła, gdzie:
1 - energia elektryczna - grzejniki akumulacyjne, 2 - gruntowa pompa ciepła,3 - drewno - kocioł na pelety,
4 - węgiel - "ekogroszek",5 - olej opałowy - kocioł kondensacyjny,6 - gaz płynny LPG,7 - gaz ziemny
Analizując koszty oraz rozważając wady i zalety wszystkich dostępnych w danej lokalizacji
sposób ogrzewania domu, najbardziej optymalnym rozwiązaniem była instalacja pompy ciepła. Podstawowym założeniem było zastosowanie pompy do ogrzewania całego budynku oraz
podgrzewania wody użytkowej. Wybór był podyktowany przede wszystkim brakiem gazociągu w okolicy, w której dom był budowany oraz komfortem użytkowania przyjętego rozwiązania.
4. BADANIA GEOLOGICZNE GRUNTU, DOBÓR DOLNEGO ŹRÓDŁA
Pompa ciepła sama w sobie nie może być traktowana jako źródło ciepła. Do jej prawidłowej
pracy, niezbędne jest odpowiednio zaprojektowane i wykonane tzw. dolne źródło ciepła. Dobór
odpowiedniego
rodzaju
tego
źródła
powinien
być
wykonywany
z uwzględnieniem charakterystyki gruntu oraz lokalnych warunków terenowych. Założeniem
podstawowym jest zapewnienie jak najwyższej temperatury dolnego źródła ciepła z gwarancją jego wykonania i możliwością przyszłej, długoletniej pracy. Podstawowa cecha prawidłowo wykonanego dolnego źródła to potencjalnie stała temperatura, która pozwoli na ekonomiczny odzysk ciepła. Bardzo istotna jest także odpowiednia charakterystyka akumulacji
ciepła (jak najwyższa) i zdolność do regeneracji potencjału energetycznego. Konstrukcje
pomp ciepła powodują, iż funkcję dolnego źródła może pełnić grunt (poprzez poziomy lub
pionowy wymiennik ciepła), woda, powietrze oraz ciepło odpadowe uzyskiwane w trakcie
realizacji procesów technologicznych. Badania [2] pokazują, iż najbardziej efektywne jest
wykorzystanie wody lub gruntu.
Jednym z pierwszych kroków podczas projektowania systemu grzewczego opartego na pompie ciepła jest wykonanie odpowiednich badań geologicznych gruntu, w którym umiejscowione zostanie dolne źródło [4]. W naszym przypadku, w trakcie prac terenowych, przeprowadzonych w lutym i sierpniu 2013 roku stwierdzono występowanie jednego poziomu wód
gruntowych o zwierciadle ciągłym swobodnym. Zimą jego lustro układa się na głębokości
0,61 - 0,65m, natomiast latem na poziomie 0,55-0,58m. Jak wynika z opracowania geologicznego wykonanego na potrzeby inwestorów, poziom wodonośny zasilany jest bezpośrednio
przez infiltrację wód opadowych oraz infiltrację boczną w podłożu z kierunku południowego.
Zweryfikowany poziom zwierciadła odpowiada poziomowi wysokiemu (w grupie stanów
średnich w rocznym cyklu ich wahań). Jak podkreślono, maksymalny piezometryczny poziom może być wyższy w stosunku do stwierdzonego o około 0,3m.
Taka charakterystyka gruntu daje możliwość wykonania np. głębokiego stawu lub oczka
wodnego, którego podstawowym zadaniem byłoby funkcjonowanie jako bardzo wydajne dolne źródło dla instalacji grzewczej. Jest to jednak rozwiązanie bardzo drogie. Przedstawione
warunki glebowe mogłyby być wykorzystane również do wykonania tzw. kolektora poziomego. Jest to najprostsza forma pozyskiwania ciepła z gruntu. Wykonuje się go przy pomocy rur
wypełnionych specjalnym czynnikiem (glikol), umiejscowionych na głębokości około 1,5m,
w odległości 1m. Głębokość umiejscowienia wynika wprost z konieczności zabezpieczenia
instalacji przed przemarzaniem gruntu. Wadą wymiennika poziomego jest niestety stosunkowo duża powierzchnia terenu wymagana pod jego budowę oraz znacznie niższa temperatura
gruntu wokół samego wymiennika w stosunku do np. kolektora pionowego. Wpływa to negatywnie na szybkość regeneracji potencjału energetycznego oraz niższy poziom akumulacji
ciepła dolnego źródła.
Zdecydowanie lepsze właściwości pod kątem stabilności temperatury wokół sondy posiada
pionowy wymiennik ciepła. Kolektor pionowy wykonuje się poprzez umieszczenie w otworach o głębokości od kilkudziesięciu do kilkuset metrów sond wypełnionych specjalnym płynem, np. glikolem. Jako, że kolektor taki jest całkowicie pod ziemią, na bardzo dużej głębokości, jego wydajność jest zależna od warunków gruntowych (napływ wód). Kolektor pionowy wykorzystuje ciepło pochodzące ze złóż geotermalnych, w których gromadzone jest ciepło z wnętrza ziemi. Dzięki temu, niezależnie od warunków pogodowych i temperatury ze-
wnętrznej - wydajność całego systemu grzewczego pozostaje bez zmian. Kolektor pionowy
charakteryzuje szybkość regeneracji potencjału energetycznego oraz wyższy w stosunku do
np. kolektora poziomego, poziom akumulacji ciepła dolnego źródła. Dodatkowym plusem
takiego rozwiązania jest mała ilość miejsca, którą należy zarezerwować na umiejscowienie
odwiertów. Minus to cena wykonania samych odwiertów. Co prawda koszt 1m odwiertu jest
zdecydowanie niższy w porównaniu z cenami sprzed kilku lat, niemniej wydatek na odwierty
jest wyższy niż realizacja kolektora poziomego.
W naszym przypadku, inwestorzy zdecydowali o tym, że dolne źródło zostanie wykonane w
postaci 3 odwiertów, o głębokości 80m każdy. Jest to rozwiązanie ciut droższe do wykonania
(niż np. kolektor poziomy), jednak rekompensują to zalety związane ze zdecydowanie lepszą
efektywnością kolektora pionowego, szybszą jego regeneracją oraz oszczędność powierzchni
działki.
5. OGRZEWANIE PODŁOGOWE
Jak wynika z [3] największą skuteczność energetyczną instalacji grzewczej opartej na pompie
ciepła uzyskać można dzięki połączeniu jej z tzw. ogrzewaniem niskotemperaturowym. Obniżanie temperatury czynnika grzejnego (w tym przypadku wody) wpływa bardzo korzystnie na
poprawę komfortu cieplnego i jakość powietrza w pomieszczeniach ogrzewanych tym systemem. Cechy charakterystyczne ogrzewania niskotemperaturowego to przede wszystkim powierzchniowa wymiana ciepła, równomierny rozkład temperatury oraz poprawa walorów
estetycznych wnętrz. Rozpatrując cechy ogrzewania niskotemperaturowego należy również
wspomnieć o wadach, które nierzadko stanowią argument decydujący o wyborze instalacji
lub jej braku. W przypadku ogrzewania podłogowego najlepszym sposobem wykończenia
posadzki powinny być elementy ceramiczne lub kamienne, dobrze przewodzące ciepło.
Oczywiście, producenci paneli podłogowych czy drewnianych parkietów oferują materiały,
które przy najmniej teoretycznie tylko minimalnie blokują przepływ ciepła, ale należy pamiętać, że nigdy nie zastąpią one np. ceramiki. W związku z tym, decyzja o ogrzewaniu podłogowym musi wziąć pod uwagę również pewne ograniczenia związane z narzutami materiałów
do wykończenia posadzki.
Niedocenianym aspektem ogrzewania niskotemperaturowego jest bardzo mała cyrkulacja
powietrza w pomieszczeniach. W klasycznych, konwekcyjnych systemach ogrzewania, z
uwagi na wysoką temperaturę grzejników często dochodzi do tzw. "przypalania kurzu". Jest
to zjawisko bardzo niekorzystne dla zdrowia człowieka. Cząsteczki kurzu, które najczęściej są
pochodzenia organicznego pod wpływem wysokiej temperatury (począwszy już od 60°C)
mogą się spalać. Jest to zjawisko niekorzystne nie tylko dla alergików.
W przypadku ogrzewania podłogowego, większość ciepła przekazywana jest do otoczenia
poprzez promieniowanie, a niska temperatura powierzchni podłogi nie powoduje unoszenia
kurzu. To niewątpliwa zaleta tego rozwiązania.
Bardzo ważnym zagadnieniem w przypadku ogrzewania podłogowego jest pojęcie akumulacji
ciepła. Otóż, duża bezwładność ciepła, z jaką mamy do czynienia w przypadku ogrzewania
podłogowego może być zaletą ale w niektórych sytuacjach - również wadą. Utrzymywanie
określonej, stałej temperatury pomieszczeń budynku mieszkalnego podkreśla pozytywną cechę akumulacyjności. W konsekwencji, nie ma w takiej sytuacji konieczności regulacji
ogrzewania. Wystarczy z odpowiednim wyprzedzeniem uruchomić system grzewczy, by np.
posadzka mogła uzyskać właściwą temperaturę i można ją było potem utrzymywać na mniej
więcej stałym poziomie. Jest to niewątpliwie zaleta. Z drugiej strony, jeśli użytkownik życzy
sobie mieć możliwość regularnego włączania i wyłączania ogrzewania pomieszczeń oraz
płynnego sterowania temperaturą w tych pomieszczeniach (z szybką reakcją systemu
grzewczego) - nie jest to możliwe mając do czynienia ze zjawiskiem akumulacji. Nagrzana do
odpowiedniej temperatury posadzka ma bardzo dużą bezwładność cieplną. To niestety wada.
Dodatkowo, jeśli weźmiemy pod uwagę system grzewczy w budynku, który jest zasilany gazem, olejem czy też paliwem stałym, to z uwagi na niezmienny koszt energii (przez całą dobę) w ujęciu ekonomicznym również należy rozpatrywać jako wadę lub przynajmniej ograniczenie.
Mając świadomość wad i zalet akumulacyjności posadzki ogrzewanej niskotemperaturowo
można te cechy efektywnie wykorzystać i już na etapie projektowania wziąć pod uwagę. W
przypadku pompy ciepła, która do swojej pracy potrzebuje energii elektrycznej, ekonomicznie
uzasadnione jest odpowiednie sterowanie całym systemem, by móc wykorzystać różnice w
cenie energii elektrycznej w ciągu doby. Jako, że różnice te mogą sięgać nawet 50%, to warto
zaprogramować ogrzewanie budynku w ten sposób, by np. w nocy przygotować temperaturę
posadzki do wymaganego poziomu, natomiast w ciągu dnia korzystać z ciepła zakumulowanego w posadzce.
Powyższe argumenty spowodowały, iż w analizowanym budynku mieszkalnym inwestorzy
postawili właśnie na ogrzewanie niskotemperaturowe zainstalowane w posadzce domu.
6. POSADZKA
Ostatnim elementem projektowania budynku, który w efektywny sposób wykorzystywałby
dostarczane ciepło, powinien być dobór odpowiedniego materiału, z którego wykonana ma
być posadzka. Z punktu widzenia odbiorców ciepła dostarczonego przez pompę, to właśnie
posadzka stanowi element akumulujący ciepło. W związku z tym najlepiej aby była wykonana z surowca, który zapewni jej bardzo wysoką przewodność cieplną oraz będzie gwarantowała wysoki poziom akumulacji. W ten sposób zapewniona zostanie efektywna wymiana
ciepła z otoczeniem. Przy wyborze rodzaju posadzki, jaka ma być wylana
w budynku należy pamiętać o tym, że zatopione w niej będą rury ogrzewania podłogowego i
razem z nimi ma ona gwarantować równomierny rozkład temperatury w pomieszczeniach.
Tradycyjne posadzki stosowane w budownictwie mieszkaniowym (jastrych cementowy) charakteryzuje przede wszystkim porowatość oraz pustki powietrzne. Jastrych cementowy, z
uwagi na technologię wykonania, cechuje niski współczynnik przewodności cieplnej λ na
poziomie 1,2 W/(mK). Wpływa to bardzo negatywnie na poziom przewodnictwa całej posadzki wykonanej przy użyciu tego materiału. W związku z tym, do pomieszczeń, w których
planowane jest efektywne wykorzystywanie ciepła pochodzącego z ogrzewania podłogowego
powinno się stosować wylewki, które pozwalają na zdecydowanie wyższe przewodnictwo
cieplne niż jastrych cementowy. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie np. jastrychu
anhydrytowego. Posadzki wykonane przy pomocy tego materiału posiadają zdecydowanie
lepszy współczynnik przewodnictwa cieplnego λ (przynajmniej 2,0 W/(mK)). W konsekwencji, porównując czas nagrzewania (do 29°C) obu rodzajów posadzek przy pomocy ogrzewania
niskotemperaturowego uzyskuje się temperaturę powierzchniową anhydrytu po około 30 minutach. Analogiczne doświadczenie wykonane z użyciem posadzki cementowej daje ten sam
efekt dopiero po 80 minutach. W przypadku posadzek anhydrytowych mamy zatem do czynienia z szybszą reakcją całego systemu grzewczego na zmianę temperatury przez użytkownika końcowego. Kierując się powyższym, inwestorzy wykonali w swoim domu posadzki
anhydrytowe.
7. PODSUMOWANIE
W artykule przedstawiono analizę warunków efektywnego zasilania budynku mieszkalnego w
ciepło. Pokazano założenia oraz przedstawiono proces projektowania i budowy domu jednorodzinnego, którego cechą charakterystyczną jest oszczędność energetyczna, uniezależnienie
od zewnętrznych dostawców energii cieplnej oraz zbilansowane koszty utrzymania. Bezpośrednie konsultacje z inwestorami pozwoliły na przedstawienie tych zagadnień w sposób
kompleksowy - od wyboru projektu, przez dobór materiałów i technologii budowlanych,
właściwą organizację prac do wykorzystania nowoczesnych rozwiązań w zakresie ogrzewania.
Biorąc pod uwagę komfort użytkowania, praktyczną bezobsługowość oraz przede wszystkim
oszczędności w trakcie przyszłej eksploatacji i efektywne wykorzystanie potencjału całego
systemu grzewczego, wybór pompy ciepła z pionowym kolektorem pełniącym rolę dolnego
źródła wydaje się być rozwiązaniem optymalnym.
W artykule opisano zagadnienia związane z doborem dolnego źródła wykorzystywanego
przez pompę ciepła w kontekście właściwości terenu, wód gruntowych oraz zapotrzebowania
energetycznego przyszłych użytkowników. Pokazano również w jaki sposób efektywnie wykorzystywać taryfy energetyczne wykorzystując zjawisko akumulacji ciepła.
W trakcie analizy potwierdzono, iż warunkiem niskiego zużycia nieodnawialnej energii pierwotnej (prąd w przypadku funkcjonowania pompy ciepła) jest zagwarantowanie wielopozio-
mowej wiedzy na etapie projektowania budynku [8], przede wszystkim w obszarze izolacji
cieplnej, doboru systemu ogrzewania i dostarczania ciepłej wody użytkowej.
LITERATURA
[1] Główny Urząd Statystyczny: Zużycie energii w gospodarstwach domowych w 2012r.,
data publikacji: 2014-04-17
[2] Nianping L., Wenjie Z., Lijie W., Qiuke L., Hu Jinhua: Experimental study on energy
efficiency of heat-source tower heat pump units in winter condition. 2011 Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, 6-7 January
2011, Shangshai, pp. 135 - 138
[3] Chao Z., Xiaodan Z., Guanghui Z., Yin L.: The domestic research status of the solar-air
dual-source heat pump. 2010 International Conference on Intelligent System Design and
Engineering Application, 13-14 October 2010, Changsha, pp. 643 - 646
[4] Pineau D., Rivière P., Stabat P., Hoang P., Archambault V.: Performance analysis of heat-
ing systems for low energy houses. Energy and Buildings 65 (2013) 45–54
[5] Fuxin N., Long N., Yang Y., Yiqiang J., Zuiliang M.: Thermal accumulation effect of
ground-coupled heat pump system. 2011 International Conference on Electric Technology
and Civil Engineering (ICETCE), 22-24 April 2011, Lushan, pp. 1805 - 1807
[6] Wesołowski M., Skotnicka-Siepsiak A., Wierciński Z.: Analiza energii i egzergii domu
niskoenergetycznego i pasywnego. Budownictwo, Czasopismo Techniczne Politechniki
Krakowskiej, 1-B/2009 zeszyt 5, rok 106
[7] Szargut J.: Energia czy egzergia. Rynek Energii, 2010, nr 5(90).
[8] Świerc A., Ciuman H.: Wpływ systemu zasilania w energię budynku mieszkalnego na
jego charakterystykę energetyczną. Rynek Energii, 2012, nr 1(98), strona 107
[9] Wiśniewski G., Gołębiowski S., Gryciuk M., Kurowski K.: Kolektory słoneczne. Porad-
nik wykorzystania energii słonecznej. Centralny Ośrodek informacji Budownictwa PP,
Warszawa, 2006
THE ANALYSIS OF HEAT SUPPLY CONDITIONS TO A BUILDING
Key words: energy efficiency, energy consumption, heat pump, low temperature heating, passive house
Summary. The article presents an analysis of the conditions of the thermal efficiency in a residential building.
There is shown a method for construction of the house, which saves energy. This house is independent from the
suppliers of thermal energy. The direct consultations with investors helped to present these issues in a comprehensive manner. There is described the design choice, material selection and construction technology, organization of work and innovative solutions in heating.
Mariusz Aleksiewicz, adiunkt w Instytucie Telekomunikacji i Informatyki Uniwersytetu
Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, [email protected]
Arkadiusz Rajs, adiunkt w Instytucie Telekomunikacji i Informatyki Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, [email protected]