FORUM TERMOMODERNIZACJI

FORUM TERMOMODERNIZACJI 3.04.019, Warszawa Technologie OŹE w głębokiej termomodernizacji budynków Dr inż. Ryszard Wnuk Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A. rwnuk@kape.gov.pl www.kape.gov.pl

Increase of share of RES 1 3 4 Wprowadzenie Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego Wykorzystanie innych źródeł Magazynowanie energii na sposób ciepła Rezultaty działań termomodernizacyjnych (CONCERTO) Primary energy use for heating [kwh/m² GFA.a] 00 180 160 140 10 100 80 60 40 0 0 3 0 0 40 60 80 100 10 140 160 180 00 Final energy use for heating [kwh/m² GFA.a] Improvement of energy efficiency 1 Before renovation (individual gas boilers) No thermal renovation, substitution of gas boiler through district heating Thermal renovation and subsition of gas boiler through district heating Thermal renovation, subsition of gas boiler through district heating and increase share of RES in district heating Udział technologii, w tym OŹE, w redukcji emisji CO w budynkach (IEA): : - redukcja zużycia energii elektrycznej oświetlenie, chłodzenie, AGD; - struktura budynku, budynki pasywne, generacja rozproszona; - energetyka słoneczna w grzaniu i chłodzeniu.

1 Odnawialne źródła energii w budynkach: Energia promieniowania słonecznego: Pasywne i aktywne systemy grzewcze; Systemy fotowoltaiczne (PV); Oświetlenie światłem dziennym. Energia odpadowa: odzysk ciepła z układów wentylacyjnych, ścieków i innych; Energia otoczenia budynku (np. wód gruntowych lub powierzchniowych, gruntu, powietrza): zastosowanie pomp ciepła; wymienników gruntowych; Energia biomasy: instalacje z nowoczesnymi kotłami spalającymi zrębki drewniane lub pelety; Energia wiatru: turbiny wiatrowe; Inne technologie, np.: silnik Stirlinga, ogniwa paliwowe. 3

Sprawność Słoneczne systemy podgrzewania ciepłej wody użytkowej kolektory słoneczne Charakterystyki kolektora dla różnych jego konstrukcji 1 0,9 0,8 0,7 kolektory płaskie I II III Heat Pipe Sprawność 0,6 0,5 0,4 0,3 kolektor tubowo-próżniowy 0, 0,1 Kolektor płaski Kolektor próżniowy Absorber plastikowy Viessmann do 0 m Różnica temp. kolektora do temp. otoczenia [K] Podgrzewanie basenów Ciepła woda i podgrzewanie Ciepło technologiczne 0 0 0,01 0,0 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Temperatura zredukowana Uzysk energetyczny: 400 550 kwh/m (płaskie) Viessmann 5

GUS, 015 Kolektory słoneczne wykorzystywało jedno na 56 gospodarstw domowych, czyli 1,77% gospodarstw domowych w tym do ogrzewania pomieszczeń stosowało je 0,14% gospodarstw domowych i 1,77% do ogrzewania wody. Większość instalacji to kolektory cieczowe płaskie (7,3%), kolektory cieczowe próżniowe (1,0%), a kolektory cieczowe nieosłonięte (0,8%). Średnia powierzchnia kolektorów słonecznych wyniosła 6,4 m (ich łączna powierzchnia w krajowych gospodarstwach domowych to 1530 tys. m ). Poszukiwania Koszt: do ok. 000 zł/m 6

MJ/miesiąc Radykalne zmniejszenie EU do rozpatrzenia zastosowanie systemu combi 60000 50000 40000 30000 0000 10000 0 Qsł 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 Miesięczne uzyski energetyczne przykładowej instalacji z kolektorami słonecznymi Schemat hydrauliczny systemu combi dla domu jednorodzinnego 7

zenit Schemat funkcjonalny dużej instalacji słonecznej 64 kolektory, pow. kolektora 1,78 m Łącznie 114 m S Zbiornik wody uzupełniającej (magazyn energii) Zespól pompa - wymiennik naczynie wzbiorcze 1 XII 31 X H G L H Duże instalacje D L( cosβ sinβ ctg α) D' D Konieczne zapewnienie minimalnej odległości D pomiędzy rzędami kolektorów

Lokalizacja A V V/A Zysk energetyczny m² dm³ [-] MJ/m kwh/m Ciechocinek 43, 000 46,3 314,8 643 Kamieniec Wrocławski 5 - - 1769, 491 5 - - 01, 559 5 - - 1791,6 498 5 - - 196 545 Łódź 80,4 3000 37,3 410,7 670 Kraków 19,6 4800 37 1967,6 547 9

Występujące wady: Brak danych do opracowania założeń błędne wymiarowanie powierzchni kolektorów słonecznych. Brak koncepcji ujmujących istotne uwarunkowania i specyfikę instalacji. Brak wiarygodnych obliczeń zysków energetycznych instalacji. Projektowanie błędy w sztuce, nieznajomość specyfiki tematu, brak doświadczenia i nieuwzględnianie nowoczesnych technologii i rozwiązań. Niezgodne z projektem wykonanie. Brak monitoringu. Nie uwzględnienie strat przesyłu. Duże dofinansowanie nie skłania do troski o prawidłowe funkcjonowanie i efekty. Wady technologiczne urządzeń np. kolektorów słonecznych. Koszt (LCOE) bardzo silnie zmienny (70-. zł/gj) 10

Moduły przezierne Zadaszenie wiaty parkingowej BIPV Współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej w = 3 0 BAPV 11

[kwh] 018 Przykład instalacji PV 1500 1000 500 13,0% 1,8% 1,6% 1,4% 1,% 1,0% 11,8% 11,6% 11,4% 11,% 0 1,9% I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Całkowite zużycie energii Całkowita produkcja energii z instalacji PV 1,6% Sprawność systemu fotowoltaicznego 1,0% 11,7% Standardowe warunki testu (STC - Standard Test Conditions) 1000 [W/m ] 5 o C AM 1,5 Moc systemu PV 9,75 kw p + pompa ciepła 11,0% IX X XI XII 018 Nowakowski P., Wnuk R., Analiza funkcjonowania instalacji fotowoltaicznej zintegrowanej z pasywnym budynkiem jednorodzinnym, Polska Energetyka Słoneczna, 018

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII I II III IV V VI VII V IX X XI XII [kwh/kw p ] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 0% 10% 0% Produktywność systemu PV w 018 roku wyniosła 1113 kwh/kw p 180 160 140 10 100 80 60 40 0 0 Średnia wartość autokonsumpcji w 018 roku wyniosła 4,7%, I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Udział energii wytworzonej i wprowadzonej do sieci do całkowitej energii wytworzonej Udział energii wytworzonej bezpośrednio wykorzystanej w całkowitej energii wytworzonej Średnioroczna wartość współczynnika samowystarczalności w 018 roku wyniosła 6,6% 60% 50% 40% 30% 0% 10% 0% Współczynnik samowystarczalności (współczynnik niezależności energetycznej) zdefiniowano jako iloraz energii z systemu PV zużytej przez odbiorniki domowe (bez oddawania do sieci i całkowitego zapotrzebowania na energię w budynku. Nowakowski P., Wnuk R., Analiza funkcjonowania instalacji fotowoltaicznej zintegrowanej z pasywnym budynkiem jednorodzinnym, Polska Energetyka Słoneczna, 018

System opustów: dobór mocy P instalacji PV E w - energia wytworzona przez system fotowoltaiczny [kwh]; E z - zapotrzebowanie na energię elektryczną [kwh]; P = E z o + a o a H η inst. STC o - wielkość opustu: 0,8 dla instalacji do 10 kw, 0,7 dla instalacji powyżej 10 kw; a - wielkość autokonsumpcji, definiowana jako udział energii bezpośrednio konsumowanej w wielkości energii wytworzonej przez system PV. H - roczne napromieniowanie powierzchni czołowej modułów fotowoltaicznych [kwh]; η inst. - sprawność instalacji, (1 straty), na podstawie wyników pomiarów badanej instalacji, wynosi 0,87 (nie jest to wielkość związana ze sprawnością modułów); STC - gęstość strumienia napromieniowania w warunkach testowych, wynosi 1 kw/m. Jeżeli zdefiniujemy współczynnik autokonsumpcji a jako udział energii z systemu PV bezpośrednio wykorzystanej do zapotrzebowania na energię, formuła określania mocy instalacji ma postać: P = E w STC = E z a 1 a + o H η inst. STC [kw p ] H η inst.

7,5 7,75 8 8,5 8,5 8,75 9 9,5 9,5 9,75 10 10,5 10,5 10,75 11 11,5 11,5 11,75 1 1,5 1,5 SPBT (lata) Założono proporcjonalność kosztów systemu i mocy instalacji, przyjmując koszt 5508 zł za 1 kw p (rzeczywisty w czasie budowy domu i instalacji 9,75 kw p ). Obliczono wartości SPBT dla instalacji w zakresie mocy od 7,5 kw p do 1,5 kw p. Przyjęto stałą wartość energii z systemu PV bezpośrednio wykorzystanej 676 kwh w okresie rocznym, przy zapotrzebowaniu 10 070 kwh, a cenę energii 0,6 zł/kwh. 11,5 11,0 Ekonomika 10,5 10,0 9,5 9,0 8,5 SPBT do 5 lat (grant 30%, odpis podatkowy Moc instalacji PV, [kw p ] 15

3 Wykorzystanie energii zawartej w otoczeniu domu za pośrednictwem pomp ciepła Zrzut (otwór chłonny) Powietrze zewnętrzne Absorber gruntowy poziomy Dolne źródła ciepła: naturalne (odnawialne) powietrze zewnętrzne wody powierzchniowe (rzeki, jeziora) wody gruntowe wody geotermalne grunt promieniowanie słoneczne Koszty eksploatacyjne Studnia Pompa ciepła ekonomika zł/kwh energii elektrycznej zł/kwh ciepła ze źródła konwencjonalnego zł/kwh (energii elektrycznej) (współczynnik wydajności grzejnej) = zł/kwh ciepła 16

3 3,5 EP/EU Q khoze = Q kh 1 1 η H,g Scenariusz BLUE IEA Budynki: 50-70% z pompami ciepła (050) 1,5 1 GUS, 015: pompy ciepła wykorzystywało jedno na 150 gospodarstw domowych 0,5 Sprawność całkowita systemu grzewczego z pompą ciepła 0 1,5 1,5 1,75,5,5,75 3 3,5 3,5 3,75 4 4,5 4,5 4,75 5 Średnie wartości efektywności cieplnej (SPF) pomp ciepła: COP = 5,5 dla wód gruntowych jako dolnego źródła ciepła, COP = 4,4 dla gruntu jako dolnego źródła ciepła, COP = 3, dla powietrza jako dolnego źródła ciepła. Pompy ciepła były wykorzystywane do celów grzewczych jedynie przez 0,08% gospodarstw domowych, w tym do ogrzewania pomieszczeń przez 0,07% i do ogrzewania wody przez 0,03%

3Qu [MWh/t] 4 3.5 3.5 1.5 1 0.5 Lp. Rodzaj budynku EP na potrzeby ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej, [kwh/(m rok)] Od stycznia 014 Od stycznia 017 Od stycznia 01 Budynki rodzinne 1. a) Domy jednorodzinne 10 95 70 b) Domy wielorodzinne 105 85 65. Bloki mieszkalne 95 85 75 3. Wykorzystanie biomasy 0 5 35 45 55 65 w [%] Współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla biomasy w = 0, Budynki użyteczności publicznej a) Opieki zdrowotnej b) Inne l. p. Rodzaj paliwa Wartość opałowa 1. Słoma 13. Zrębki 18 3. Pelet z łusek słonecznika 1 4. Brykiet ze 17 słomy 5. Pelet drzewny 17 6. Brykiet drzewny 17 390 65 90 60 190 45 18

3 Integracja systemów Zintegrowany kolektor cieczowy i PV PVT Zintegrowany system wentylacyjny z odzyskiem ciepła, z pompą ciepła i kolektorami słonecznymi Układ hybrydowy = siłownia wiatrowa + słoneczna TURBINA HWT 3000 o mocy 3 kw 500,00 450,00 400,00 350,00 300,00 50,00 00,00 150,00 100,00 50,00 0,00 900,00 800,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 00,00 100,00 0,00 kwh + PV 3,9 kw moduły fotowoltaiczne turbina wiatrowa 19

4 Akumulacja energii: magazynowanie energii cieplnej (wewnętrznej) i chemicznej Wykorzystanie pojemności cieplnej materiałów i efektów cieplnych przemian fazowych Wykorzystanie efektów cieplnych reakcji chemicznych Magazynowanie z wykorzystaniem procesów eletrochemicznych Magazynowanie z wykorzystaniem procesów biochemicznych Przykład sezonowego magazynu ciepła wykorzystującego reakcje chemiczne FP7 - MOSTOSTAL 0

4 Zasobniki ciepła w budynkach Zasobniki strukturalne Zasobniki cienkowarstwowe Zasobniki średniej wielkości Zasobniki masywne Magazyny ciepła instalacji grzewczych 1

4 Klasyfikacja materiałów fazowozmiennych ulegających przemianie fazowej ciało stałe - ciecz Technologie łączenia materiału zmienno-fazowych (PCM) z materiałami budowlanymi: Bezpośrednie zmieszanie Nasycanie materiałem PCM elementów porowatych Kapsułkowanie Organiczne Wytwarzanie elementów PCM do umieszczenia w elementach budowlanych (walce, maty) Materiały fazowozmienne (PCM) Nieorganiczne Wytwarzanie płyt laminowanych (najczęściej z wełny mineralnej) z cienką wewnętrzną warstwą materiału PCM)

0 400 4800 700 9600 1000 14400 16800 1900 1600 4000 6400 8800 3100 33600 36000 38400 40800 4300 45600 48000 50400 5800 5500 57600 60000 6400 64800 6700 69600 7000 74400 76800 7900 81600 84000 86400 4 Propozycja ujęcia materiału PCM w metodyce sporządzania charakterystyki energetycznej budynku τ = C m H tr + H ve + c p m (H tr + H ve ) Δθ 3 600 [h] Stała czasowa, uwzględniająca dodatkowy składnik z PCM, gdzie: 40 35 C m wewnętrzna pojemność cieplna materiału, [J/K]; 30 C p ciepło utajone materiału zmiennofazowego [kj/kg]; 5 Δθ projektowa różnica temperatur [ C]; 0 m masa materiału PCM. 15 5 4 3 1 0 19 18 Ciepło właściwe, kj/(kgk) 10 5 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0 beton tynk wapienny parafina RT6 Micronal DS 5001X sosna żółta 0 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 Temperatura, C Tpow(A) Tpow (C) Tpow(B) Tpow(D)

Odnawialne źródła energii i magazynowania energii w budynkach, szczególnie podlegających głębokiej termomodernizacji: Głęboka termomodernizacja rozszerza zakres zastosowania technologii odnawialnych źródeł energii, również zwiększając ich opłacalność; Znaczne zmniejszenie zapotrzebowania na energię użyteczną ułatwia planowanie technologii wykorzystania OŹE; Zastosowanie OŹE skutkuje zmniejszeniem zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną i redukcją szkodliwych emisji; Różnorodność dostępnych rozwiązań; Rozwój technologii; Perspektywiczne systemy zintegrowane, hybrydowe. Celowe całościowe, zintegrowane podejście do struktury i systemów grzewczych budynku. R&D celowe i realizowane. Dziękuję za uwagę Ryszard Wnuk rwnuk@kape.gov.pl