Zwiększenie wykorzystania energii z odnawialnych źródeł energii w budownictwie- zadanie w projekcie strategicznym Narodowego Centrum Badań i Rozwoju

Transkrypt

1 Joachim Kozioł Politechnika Śląska Instytut Techniki Cieplnej Zwiększenie wykorzystania energii z odnawialnych źródeł energii w budownictwie- zadanie w projekcie strategicznym Narodowego Centrum Badań i Rozwoju W roku 2009 Narodowe Centrum Badań i Rozwoju ogłosiło konkurs na realizacje projektu strategicznego nt. Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków, składającego się z 7 zadań. Jedno z nich dotyczyło Zwiększenia wykorzystania energii z odnawialnych źródeł energii w budownictwie. Opracowanie tego zadania NCBiR powierzyło konsorcjum,w skład którego weszli : Politechnika Śląska ( reprezentowana przez Instytut Techniki Cieplnej oraz Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów ) jako Lider oraz Uniwersytet Śląski, Główny Instytut Górnictwa, Instytut Technik Innowacyjnych EMAG Park Naukowo- Technologiczny Euro- Centrum jako Partnerzy. Ponadto każdy z uczestników będzie przy rozwiązywaniu problemów zadania korzystał z pomocy ekspertów zatrudnionych w innych instytucjach Celem zadania jest opracowanie sposobów rekomendacji służących zwiększeniu udziału odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym budynku, a poprzez to uzyskanie pozytywnych efektów ekologicznych, ekonomicznych oraz technicznych w skali budynku, kompleksów budowlanych, gmin a w efekcie kraju. 1. Zakres zadania Oczekiwane rezultaty zadania przewiduje się uzyskać poprzez realizację następujących podzadań: 1. ocenę istniejącego stanu rekomendacji wykorzystania OŹE w budownictwie, 2. opracowanie metodologii oceny technicznej, ekonomicznej i ekologicznej wykorzystania OŹE, 3. opracowanie programu komputerowego do oceny technicznej, ekonomicznej i ekologicznej wykorzystania OŹE, 4. opracowanie szczegółowych rekomendacji. Ocenę istniejącego stanu rekomendacji wykorzystania OŹE w budownictwie zamierza się przeprowadzić przez analizę istniejącej bazy danych dotyczącej: - ogółu zasobów energetycznych, - zasobów OŹE, - warunków klimatycznych, - aktualnie dostępnych technologii wykorzystania OŹE. Ocena zasobów OŹE zostanie przeprowadzona w aspekcie ilościowym oraz metodologicznym. W celu ewentualnej adaptacji dotychczasowych metod badań oraz uniknięcia niepotrzebnych kosztów z tym związanych zamierza się przeprowadzić krytyczną analizę dotychczasowej metodologii wyznaczania technicznych, ekonomicznych i ekologicznych efektów wykorzystania OŹE w budownictwie. Z analogicznych względów 55

2 zamierza się przeprowadzić analizę istniejących programów komputerowych typu RETScreen, EnergyPlus itp. W zakresie opracowania metodologii oceny technicznej, ekonomicznej i ekologicznej wykorzystania OŹE w budownictwie zamierza się zrealizować cztery moduły etapów badań dotyczących: - technologii, - użytkowników, - wzajemnego sprzężenia technologii i użytkowników, - przygotowania danych wejściowych. W zakresie oceny technologii stosowania OŹE zamierza się określić: stopień substytucji konwencjonalnych źródeł przez OŹE przy uwzględnieniu różnych ich zastosowań, efekty zastosowania technologii kogeneracji i innych technologii zintegrowanych z OŹE, metodykę analiz ekonomicznych z uwzględnieniem LCC. Metodologię związaną z użytkowaniem energii zamierza się ukierunkować na opracowanie modelu użytkownika oraz modelu systemowego kompleksu budowlanego. Za ważne zagadnienie naukowo-badawcze należy uważać wzajemne powiązanie struktury wewnętrznej i zewnętrznej budynku z możliwością zwiększenia wykorzystania w nim OŹE. Ze względu na ważne ograniczenia wynikające z zobowiązań unijnych istotne znaczenie zdają się mieć zagadnienia dotyczące roli gminy w zakresie zwiększenia OŹE. Ponieważ wyniki badań w większym stopniu zależą od wprowadzanych danych wejściowych niż od metodologii analiz, ważne są szczegółowe badania związane z jakościowym i ilościowym określeniem warunków istotnych, dotyczących zwłaszcza parametrów pozatechnicznych takich jak: regulacje prawne oraz determinanty społeczne. Odrębnym zagadnieniem jest efektywność wykorzystania środków finansowych. Zamierza się opracować algorytmy cząstkowe: - wykorzystania poszczególnych rodzajów OŹE w budownictwie, - oceny wpływu struktury budynku na zapotrzebowanie energii i możliwości zastosowania OŹE, - oceny efektów mikrokogeneracji oraz mikropoligeneracji z OŹE z uwzględnieniem mikrobiogazowni, - oceny efektów ekologicznych i ekonomicznych. Walidację opracowanego programu komputerowego zamierza się przeprowadzić w oparciu o wielowariantowe obliczenia numeryczne dla przykładowych budynków. Poza programem komputerowym rezultatami zadania badawczego będą między innymi rekomendacje w postaci: - program komputerowy wspomagający ocenę wykorzystania OŹE w budynkach, - program komputerowy do oceny wpływu struktury budynku na wykorzystanie OŹE, - moduł informatyczny = baza danych geośrodowiskowych, - katalog technologii odnawialnych dedykowanych reprezentatywnym budynkom, - rekomendacje mechanizmów wspierających wykorzystanie OŹE w budownictwie, - modelowanie opracowania audytów termoizolacyjnych budynków z zastosowaniem OŹE, - aplikacje komputerowe do projektowania układów energetycznych z OŹE dla kompleksu budynków, - wytyczne do stosowania mikrokogeneracji technologii zintegrowanych z wykorzystaniem OŹE, - wytyczne do zarządzania zespołem obiektów preferującego wykorzystanie OŹE, 56

3 - wytyczne do integracji mikrosystemu Gospodarstwo rolne presumenta ze Smart Grid-em, - wytyczne do oceny wpływu OŹE na celowość przystąpienia przedsiębiorstw energetyki komunalnej do systemu handlu uprawnieniami do emisji CO 2, - wytyczne do uwzględnienia OŹE w planie zaopatrzenia gminy w energię elektryczną, ciepło i gaz, - wytyczne do modyfikacji aktów prawnych w zakresie wsparcia wykorzystania OŹE w aspekcie realizacji celów pakietu 3x20. Przewiduje się przeprowadzenie realizacji zadania w 25 etapach. Szczegółowy schemat realizacyjny z podziałem na podzadania (moduły etapów) zilustrowano na rys. poniżej: Ocena stanu istniejącego 1.Ocena istniejącej bazy danych wejściowych dotyczących OŹE 2.Ocena istniejącej metodologii modelowania budynków oraz określenia efektów wykorzystania OŹE w budownictwie 3.Ocena istniejących metod rekomendacji wykorzystania OŹE w budownictwie (programów komputerowych) 4.Badanie efektywności energetycznej i kosztowej OŹE w dotychczas zrealizowanych inwestycjach ze wsparciem finansowym, ze środków publicznych Metodologia oceny technicznej, ekonomicznej i ekologicznej wykorzystania OŹE w budownictwie Technologia Użytkownik Dane wejściowe 5.Opracowanie metodologii oceny efektów technicznych, ekonomicznych i ekologicznych substytucji konwencjonalnych źródeł energii przez OŹE 6.Badania nad stosowaniem mikrokogeneracji oraz technologii zintegrowanych z wykorzystaniem OŹE 7.Opracowanie modelu użytkownika energii (budynku lub grupy budynków mieszkalnych), w aspekcie możliwości substytucji konwencjonalnych źródeł energii na OŹE 8.Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej 12.Opracowanie metodologii wyznaczania technicznych zasobów energetycznych OŹE 13.Opracowanie metodologii oceny wpływu pozatechnicznych kryteriów na wybór źródeł energii 14.Opracowanie bazy danych dotyczącej wykorzystania OŹE Współdziałanie 9.Określenie wpływu zmian struktury wewnętrznej i zewnętrznej budynku na zwiększenie wykorzystania OŹE 10.Analiza wpływu sposobu zarządzania zespołem obiektów na zwiększenie wykorzystania OŹE 11.Rola i zadania gminy w zakresie zwiększenia udziału OŹE w budownictwie Programy komputerowe Algorytmy cząstkowe 15.Opracowanie algorytmu programu komputerowego do oceny wpływu struktury budynku na zapotrzebowanie energii, możliwość wykorzystania OŹE oraz efektów energetycznych i ekologicznych 16.Opracowanie algorytmu programu komputerowego związanego z mikrokogeneracją oraz mikropoligeneracją z OŹE z uwzględnieniem mikrobiogazowni 17.Opracowanie algorytmów programów komputerowych wykorzystania poszczególnych rodzajów OŹE w budownictwie Program komputerowy 18.Opracowanie systemu komputerowego dotyczącego wykorzystania OŹE w budownictwie 19.Walidacja aplikacji Walidacja Rekomendacje Wytyczne projektowe, normatywy 20.Opracowanie wytycznych projektowych wykorzystania OŹE w budownictwie, przy uwzględnieniu krajowych i unijnych norm prawnych 21.Określenie wpływu wykorzystania OŹE na ocenę charakterystyki energetycznej budynku i przedsięwzięć termomodernizacyjnych dla poprawy efektywności końcowego wykorzystania energii 22.Ocena wpływu wykorzystania OŹE na celowość przystąpienia przedsiębiorstw energetyki komunalnej do systemu handlu uprawnieniami do emisji CO2 Rekomendacja i rozpowszechnianie wyników 23.Określenie wpływu wykorzystania OŹE oraz zarządzania redukcją emisji CO2 na realizację celów pakietu 3x20 24.Opracowania strategii zwiększenia udziału OŹE w budownictwie 25.Działania marketingowe, informacyjno-promocyjne propagujące wyniki zadania badawczego 57

4 58 2. Elementy innowacyjne proponowanych rozwiązań Za innowacyjne cechy o charakterze ogólnym proponowanego rozwiązania zadania należy uznać: - wielopoziomowe rozpatrywanie problemu zwiększonego wykorzystania OŹE poczynając od budynków poprzez kompleksy obiektów budowlanych, analizę wpływu zarządzania zespołem obiektów, ocenę celowości przystąpienia przedsiębiorstw energetyki komunalnej do systemu handlu uprawnieniami do emisji CO2, rolę i zadania gmin, aż do wpływu wykorzystania OZE oraz związaną z tym redukcją emisji CO2 na realizację celów pakietu 3x20 a więc bezpośrednio ocenę możliwości realizacyjnych polityki energetycznej państwa, - multidyscyplinarne analizowanie problemów wykorzystania OŹE przy uwzględnieniu kryteriów techniczno-ekonomicznych, legislacyjnych, a zwłaszcza przy szczególnym zaakcentowaniu najczęściej pomijanego aspektu badań socjologicznych określających preferencje społeczne związane ze zwiększeniem wykorzystania OŹE. W dostępnej literaturze krajowej i zagranicznej brak informacji dotyczących tak kompleksowego podejścia do wykorzystania OŹE w budownictwie oraz energetyce komunalno-bytowej. Za przykładowe nowatorskie zagadnienia zawarte w ofercie rozwiązania zadania można uznać: - wprowadzenie mikrobiogazowni i/lub układu ORC do zasilania osiedla lub kompleksu budynków, - wprowadzenie gminnego centrum energetycznego jako drugiego filaru bezpieczeństwa energetycznego - realizacja pracy wyspowej instalacji OŹE stanowiącej między innymi alternatywne zasilanie awaryjne w budynkach - zastosowanie generacji zintegrowanej typu BCHP - uwzględnienie roli i zadania samochodu elektrycznego w mikrosystemie Dom prosumenta (energetycznego) - integracja mikrosystemu Dom prosumenta (energetycznego) ze Smart Gridem (w warstwie infrastruktury teleinformatycznej/zarządczej) - uczestniczenie przedsiębiorstw energetyki komunalnej w handlu uprawnieniami do emisji CO 2, - uwzględnienie w projektowaniu układów energetycznych z OŹE struktury wewnętrznej i zewnętrznej budynku. Zalecana do oceny wszelkich przedsięwzięć (inwestycji) metoda UNIDO aktualnie powszechnie zalecana. Metoda LCC )LCA + aspekty ekonomiczne) jest uważana za metodę rozwojową i przyszłościową. Powiązanie tych metod w jednej metodologii wraz z opracowaną bazą danych będzie w tym względzie nowoczesnym narzędziem oceny technologii OŹE. Nowoczesną walidację wyników badań umożliwią obiekty Grupy Euro-Centrum, partnera konsorcjum realizującego omawiane zadanie. Grupa posiada w swoich zasobach budynki, które powstały przy wsparciu finansowym ze środków publicznych, i które osiągnęły wysoką efektywność energetyczną dzięki zastosowaniu nowoczesnych technologii oraz wykorzystaniu OŹE. Przykładem może być budynek innowacyjny, w którym maksymalnie zoptymalizowano koszty eksploatacji pod względem energetycznym. Zastosowane rozwiązania to: pompa ciepła współpracująca z czterema studniami geotermalnymi

5 znajdującymi się poza obrysem budynku, płaszczyznowe ogrzewanie i chłodzenie stropowe BKT, szczelna wentylacja mechaniczna z rekuperatorem odzyskującym do 75% ciepła z wywiewanego powietrza, BMS system zarządzania instalacjami grzania, chłodzenia i wentylacji, system zautomatyzowanych żaluzji fasadowych z czujnikiem nasłonecznienia i siły wiatru. Oprócz tego w budynku zastosowano zaawansowane systemy izolacyjne oraz pasywne okna, które przysłaniają żaluzje, dostosowujące stopień otwarcia do warunków pogodowych. Budynek pracuje w dni robocze w weekendy oraz po godzinach pracy system przechodzi w stan uśpienia. Naszpikowany technicznymi udogodnieniami budynek oszczędza nie tylko energię, ale i przestrzeń dzięki temu, że instalacje grzewcze nie zajmują miejsca wewnątrz. Budynek oszczędza aż 2/3 standardowo zużywanej energii. 3. Produkty zadania, poziomy rekomendacji oraz ewentualni nabywcy Na rysunku 2 podano: przewidywane produkty będące efektem zadania badawczego. Sejm, Rząd Ministerstwo Gospodarki Ministerstwo Infrastruktury Instytucje Rządowe Urzędy Marszałkowskie Urzędy Gminne Samorządy Terytorialne Wspólnoty mieszkaniowe Spółdzielnie mieszkaniowe szpitale, hotele itd. gospodarstwa rolne zabudowania gospodarcze Kompleksy obiektów budowlanych Architekci Instalatorzy Projektanci Audytorzy energetyczni Budynki 1.Program komputerowy wspomagający ocenę wykorzystania OŹE w budynkach 2.Program komputerowy do oceny wpływu struktury budynku na wykorzystanie OŹE 3.Moduł informatyczny = baza danych geośrodowiskowych 4.Katalog technologii odnawialnych dedykowanych reprezentatywnym budynkom 5.Rekomendacje mechanizmów wspierających wykorzystanie OŹE w budownictwie 6.Modelowanie opracowania audytów termoizolacyjnych budynków z zastosowaniem OŹE 1.Aplikacje komputerowe do projektowania układów energetycznych z OŹE dla kompleksu budynków 2.Wytyczne do stosowania mikrokogeneracji technologii zintegrowanych z wykorzystaniem OŹE 3.Wytyczne do zarządzania zespołem obiektów preferującego wykorzystanie OŹE 4.Wytyczne do integracji mikrosystemu Gospodarstwo rolne presumenta ze Smart Grid-em 1.Wytyczne do oceny wpływu OŹE na celowość przystąpienia przedsiębiorstw energetyki komunalnej do systemu handlu uprawnieniami do emisji CO2 2.Wytyczne do uwzględnienia OŹE w planie zaopatrzenia gminy w energię elektryczną, ciepło i gaz 1.Wytyczne do modyfikacji aktów prawnych w zakresie wsparcia wykorzystania OŹE w aspekcie realizacji celów pakietu 3x20 Przewidywane produkty uzyskane z realizacji zadania badawczego Rys. 2. Przewidywane produkty zadania, poziomy rekomendacji oraz ewentualni odbiorcy 59

6 4. Uwagi końcowe Niniejsze opracowanie zostało opracowane w oparciu o Opis zadania badawczego stanowiącego załącznik do umowy zawartej między Narodowym Centrum Badań i Rozwoju a Konsorcjum realizującym badania. W przygotowaniu tego opisu uczestniczyli przedstawiciele wszystkich Partnerów. Autor dziękuje Im za okazaną pomoc. 60