Wpływ sposobu ogrzewania na efektywność energetyczną budynku dr inż. Adrian Trząski MURATOR 2015, JAKOŚĆ BUDYNKU: ENERGIA * KLIMAT * KOMFORT Warszawa 4-5 Listopada 2015
Charakterystyka energetyczna budynku Ochrona cieplna: - U przegród - g, T okien - odzysk ciepła Źródło ciepła: - sprawność wytwarzania - paliwo/ nośnik energii - rodzaj i parametry czynnika grzewczego system grzewczy Dystrybucja ciepła: - sprawność przesyłu, akumulacji i wykorzystania - komfort cieplny System cwu: - sprawność przesyłu i akumulacji Charakterystyka energetyczna budynku
Wymagania Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2013, poz. 926). a) wymagania szczegółowe (parametry przegród oraz elementów instalacji) b) wymagania całościowe (zapotrzebowanie na energię pierwotną EP)
Ocena efektywności energetycznej budynku Wskaźnik zapotrzebowania na energię użytkową (EU kwh/m 2 *rok) Sprawność systemu grzewczego ( η) Wskaźnik zapotrzebowania na energię końcową (EK kwh/m 2 *rok) Współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej nośników energii (wi) Wskaźnik zapotrzebowania na energię pierwotną (EP kwh/m 2 *rok)
Dopuszczalne wartości EP Lp Rodzaj budynku E PH+W [kwh/(m 2 rok)] 2014 2017 2021* 1 Budynek mieszkalny: a) jednorodzinny 120 95 70 b) wielorodzinny 105 85 65 2 Budynek zamieszkania zbiorowego 95 85 75 3 Budynek użyteczności publicznej: a) opieki zdrowotnej 390 290 190 b) pozostałe 65 60 45 4 Budynek gospodarczy, magazynowy i produkcyjny 110 90 70 *) Od 1 stycznia 2019 r. w przypadku budynków zajmowanych przez władze publiczne oraz będących ich własnością.
Źródła ciepła Źródła ciepła Kotły/piece/kominki: - na paliwo stałe (węgiel, biomasa) - olejowe - gazowe (gaz płynny, gaz ziemny) - elektryczne Pompy ciepła: - gruntowe - powietrzne Kolektory słoneczne: - powietrzne - cieczowe CHP: - mikroturbiny gazowe - silniki tłokowe - silniki Stirlinga - układy ORC - ogniwa paliwowe Ciepło sieciowe
Kotły Wymagają układu dystrybucji ciepła (sprawność przesyłu, wykorzystania i regulacji) Uzyskanie wysokiej sprawności w kotłach kondensacyjnych wymaga zastosowania systemu ogrzewania niskotemperaturowego (np. ogrzewanie podłogowe) źródło: pixabay.com Źródło ciepła Sprawność wytwarzania od do Kotły na paliwo stałe 60 85 Kotły gazowe 86 98 Kotły olejowe 86 94 Kotły elektryczne 94 100
Piece grzewcze Brak strat ciepła związanych z przesyłem (wytwarzanie ciepła w miejscu zapotrzebowania) Ograniczona możliwość regulacji mocy grzewczej źródło: pixabay.com Źródło ciepła Sprawność wytwarzania od do Piece kaflowe - 80 Piece gazowe/olejowe - 84 Piece elektryczne - 100
Kominki grzewcze Możliwość zastosowania układu dystrybucji ciepła (układy powietrzne i wodne) Ograniczona możliwość regulacji mocy grzewczej źródło: pixabay.com Źródło ciepła Sprawność wytwarzania od do Kominki z otwartą komorą spalania - 50 Kominki z zamkniętą komorą spalania - 70
Pompy ciepła Wykorzystanie energii otoczenia Możliwość wykorzystania do chłodzenia Uzyskanie wysokiej wydajności wymaga zastosowania ogrzewania niskotemperaturowego (np. ogrzewanie podłogowe) Zasilanie energią elektryczną źródło: Viessmann Źródło ciepła od SPF do Pompy ciepła powietrzne 2,5 3,0 Pompy ciepła gruntowe 3,5 4,0
Kolektory słoneczne Wykorzystanie darmowej energii słonecznej Ograniczenie wykorzystania praktycznie jedynie do przygotowania ciepłej wody użytkowej źródło: pixabay.com
CHP skojarzona produkcja ciepła i energii elektrycznej wymagane stałe obciążenie cieplne możliwość/konieczność sprzedaży nadprodukcji energii elektrycznej Źródło ciepła Zakres mocy Sprawność wytwarzania ciepła Sprawność wytwarzania energii elektrycznej kwe od do od do Sprawność całkowita Mikroturbiny gazowe 30-100 000 40 60 15 35 60-85 Silniki tłokowe 5-6 000 40 60 20 45 70-95 Silniki Stirlinga 1-100 40 80 10 35 do 90 Układy ORC 1-400 20 70 6 20 75-85 Ogniwa paliwowe 1-400 20 50 35 55 55-90
Układy dystrybucji ciepła Układy dystrybucji ciepła Wodne Ogrzewanie centralne Powietrzne Ogrzewanie miejscowe: - grzejniki/piece elektryczne - piece gazowe/olejowe - piece kaflowe - kominki grzewcze - pompy ciepła typu split Grzejnikowe Płaszczyznowe
Ogrzewanie wodne grzejnikowe sprawność regulacji i wykorzystania: 77-93% źródło: pixabay.com Zalety łatwe wymiarowanie i wykonanie Wady grzejniki zabierają przestrzeń unoszenie kurzu konieczność znacznego zwiększenia powierzchni grzejników przy wykorzystaniu źródeł niskotemperaturowych
Ogrzewanie wodne płaszczyznowe sprawność regulacji i wykorzystania: 76-89% źródło: abdur.pl Zalety podwyższony komfort cieplny obniżone zużycie ciepła, brak grzejników (estetyka i higiena) możliwość efektywnego wykorzystania źródeł niskotemperaturowych (kocioł kondensacyjny, pompa ciepła) właściwości samoregulacji Wady duża bezwładność cieplna, konieczność bardzo precyzyjnego wymiarowania (obliczeń) ograniczenie mocy cieplnej grzejnika (dywan, meble) brak możliwości późniejszej modyfikacji wielkości grzejnika wysokie koszty inwestycyjne
Centralne ogrzewanie powietrzne sprawność regulacji i wykorzystania: 77-93% źródło: pixabay.com Zalety mała bezwładność cieplna brak niebezpieczeństwa zamarznięcia Wady hałas powstający przy pracy wentylatora gorszy pionowy rozkład temperatury brak akumulacji ciepła w grzejnikach mniej korzystny sposób przekazywania ciepła (z punktu widzenia komfortu cieplnego)
Ogrzewanie miejscowe Piece kaflowe, kominki, statyczne piece akumulacyjne: sprawność regulacji i wykorzystania: do ok. 70% Bezpośrednie ogrzewanie elektryczne: sprawność regulacji i wykorzystania: 88-94% Pompy ciepła typu split : sprawność regulacji i wykorzystania: 77-93% źródło: pixabay.com
Charakterystyka energetyczna budynku dla różnych systemów ogrzewania Budynek jednorodzinny: powierzchnia - 150m 2 przegrody zgodne z WT 2014 sprawność odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego - 85% zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania EU = 6053 kwh zapotrzebowanie na ciepło na cwu EU = 3613 kwh
Porównywane źródła Kocioł gazowy z otwartą komorą spalania Kocioł gazowy kondensacyjny Powietrzna pompa ciepła Gruntowa pompa ciepła Piece akumulacyjne Kocioł elektryczny z zasobnikiem Kominek grzewczy
Porównywane systemy dystrybucji ciepła 1. Systemy centralne o o o ogrzewanie grzejnikowe ogrzewanie podłogowe ogrzewanie powietrzne 2. Systemy miejscowe o o elektryczne piece akumulacyjne z rozładowaniem statycznym elektryczne piece akumulacyjne z rozładowaniem statycznym
Porównanie sprawności systemów Źródło ciepła System ogrzewania Sprawność wytwarzania Sprawność przesyłu Sprawność regulacji i wykorzystania Sprawność akumulacji Sprawność systemu ogrzewania Kocioł gazowy z otwartą komorą spalania Kocioł gazowy kondensacyjny Powietrzna pompa ciepła ogrzewanie grzejnikowe 0,86 0,96 0,93 1,00 0,77 ogrzewanie podłogowe 0,86 0,96 0,89 1,00 0,73 ogrzewanie powietrzne 0,86 0,95 0,93 1,00 0,76 ogrzewanie grzejnikowe 0,91 0,96 0,93 1,00 0,81 ogrzewanie podłogowe 0,94 0,96 0,89 1,00 0,80 ogrzewanie powietrzne 0,94 0,95 0,93 1,00 0,83 ogrzewanie grzejnikowe 2,6 0,96 0,93 1,00 2,32 ogrzewanie podłogowe 3 0,96 0,89 1,00 2,56 ogrzewanie powietrzne 2,6 0,95 0,93 1,00 2,30 ogrzewanie grzejnikowe 3,5 0,96 0,93 1,00 3,12 Gruntowa pompa ciepła Piece akumulacyjne Kocioł elektryczny z zasobnikiem ogrzewanie podłogowe 4 0,96 0,89 1,00 3,42 ogrzewanie powietrzne 3,5 0,95 0,93 1,00 3,09 statyczne 0,99 1 0,7 1,00 0,69 dynamiczne 0,99 1 0,91 1,00 0,90 ogrzewanie grzejnikowe 0,99 0,96 0,93 0,90 0,80 ogrzewanie podłogowe 0,99 0,96 0,89 0,93 0,79 ogrzewanie powietrzne 0,99 0,96 0,93 0,93 0,82 Kominek grzewczy ogrzewanie powietrzne 0,7 1 0,7 1,00 0,49
Zużycie energii końcowej Kominek grzewczy (ogrzewanie powietrzne) Kocioł elektryczny z zasobnikiem (ogrzewanie powietrzne) Kocioł elektryczny z zasobnikiem (ogrzewanie podłogowe) Kocioł elektryczny z zasobnikiem (ogrzewanie grzejnikowe) Piece akumulacyjne (dynamiczne) Piece akumulacyjne (statyczne) Gruntowa pompa ciepła (ogrzewanie powietrzne) Gruntowa pompa ciepła (ogrzewanie podłogowe) Gruntowa pompa ciepła (ogrzewanie grzejnikowe) Powietrzna pompa ciepła (ogrzewanie powietrzne) Powietrzna pompa ciepła (ogrzewanie podłogowe) Energia końcowa Energia pomocnicza Powietrzna pompa ciepła (ogrzewanie grzejnikowe) Kocioł gazowy kondensacyjny (ogrzewanie powietrzne) Kocioł gazowy kondensacyjny (ogrzewanie podłogowe) Kocioł gazowy kondensacyjny (ogrzewanie grzejnikowe) Kocioł gazowy z otwartą komorą spalania (ogrzewanie powietrzne) Kocioł gazowy z otwartą komorą spalania (ogrzewanie podłogowe) Kocioł gazowy z otwartą komorą spalania (ogrzewanie grzejnikowe) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 EK [kwh/m 2 ]
Zapotrzebowanie na energię pierwotną
Zużycie energii pierwotnej Kominek grzewczy (ogrzewanie powietrzne) Kocioł elektryczny z zasobnikiem (ogrzewanie powietrzne) Kocioł elektryczny z zasobnikiem (ogrzewanie podłogowe) Kocioł elektryczny z zasobnikiem (ogrzewanie grzejnikowe) Piece akumulacyjne (dynamiczne) Piece akumulacyjne (statyczne) Gruntowa pompa ciepła (ogrzewanie powietrzne) Gruntowa pompa ciepła (ogrzewanie podłogowe) Gruntowa pompa ciepła (ogrzewanie grzejnikowe) Powietrzna pompa ciepła (ogrzewanie powietrzne) Powietrzna pompa ciepła (ogrzewanie podłogowe) Energia w paliwie Energia pomocnicza Powietrzna pompa ciepła (ogrzewanie grzejnikowe) Kocioł gazowy kondensacyjny (ogrzewanie powietrzne) Kocioł gazowy kondensacyjny (ogrzewanie podłogowe) Kocioł gazowy kondensacyjny (ogrzewanie grzejnikowe) Kocioł gazowy z otwartą komorą spalania (ogrzewanie powietrzne) Kocioł gazowy z otwartą komorą spalania (ogrzewanie podłogowe) Kocioł gazowy z otwartą komorą spalania (ogrzewanie grzejnikowe) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 EP [kwh/m 2 ]
Co z cwu? W zależności od wybranego systemu grzewczego pozostaje od 37 do 90 kwh/(m 2 rok) (poza systemami elektrycznymi) na potrzeby cwu. Przy zapotrzebowaniu na ciepło na cwu EU = 3613 kwh, wskaźnik zapotrzebowania na EK 45 kwh/(m 2 rok) (sprawność systemu centralnego rzędu 50 %) Wówczas EP jedynie dla cwu 50-150 kwh/(m 2 rok) (w zależności od nośnika energii)
Komfort cieplny Aktywność fizyczna (produkcja ciepła) Rodzaj ubrania (izolacja cieplna) Warunki klimatyczne otoczenia temperatura powietrza średnia temperatura promieniowania prędkość przepływu powietrza wilgotność powietrza oddychanie promieniowanie konwekcja odzież parowanie potu przewodzenie
Wpływ systemu ogrzewania na rozkład temperatury w pomieszczeniu
Podsumowanie 1. System grzewczy w znaczący sposób wpływa na charakterystykę energetyczną budynku 2. Wybór sposobu ogrzewania może wpływać na sprawność źródła ciepła (np. pompy ciepła i kotły kondensacyjne) 3. Wysoki udział zapotrzebowania na ciepło do przygotowania cwu powoduje, że osiągnięcie wymaganego poziomu EP bez wykorzystania energii odnawialnej może nie być możliwe 4. Obecna metodyka obliczania charakterystyki energetycznej budynków nie pozwala na uwzględnienie parametrów komfortu cieplnego przy porównaniu efektywności energetycznej źródeł ciepła
dziękuję za uwagę Adrian Trząski adrian.trzaski@is.pw.edu.pl