FORUM TERMOMODERNIZACJI 12.04.2016, Warszawa Odnawialne Źródła Energii w budynkach Dr inż. Ryszard Wnuk Inż. Bartłomiej Asztemborski Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A. rwnuk@kape.gov.pl basztemborski@kape.gov.pl www.kape.gov.pl
2015 było zainstalowanych 1 2 3 4 Wprowadzenie Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego Wykorzystanie innych źródeł, w tym niekonwencjonalnych Magazynowanie energii, przede wszystkim na sposób ciepła ok. 120 000 kotłów na biomasę. ok. 50 000 pomp ciepła różnego typu. ok. 1,55 mln m² kolektorów słonecznych różnego typu. (SPIUG, 2015) 2
1 Możliwość zastosowania odnawialnych źródeł energii w budynkach: energii promieniowania słonecznego: w pasywnych i aktywnych systemach grzewczych, w instalacjach elektrycznych z ogniwami fotowoltaicznymi (PV), w rozwiązaniach związanych z oświetleniem światłem dziennym energii odpadowej: poprzez odzysk ciepła z układów wentylacyjnych, ścieków i innych; energii otoczenia budynku (np. wód gruntowych lub powierzchniowych, gruntu, powietrza): poprzez zastosowanie pomp ciepła; energii biomasy: w instalacjach z nowoczesnymi kotłami spalającymi zrębki drewniane lub pelety; energii wiatru: za pomocą turbin wiatrowych; ogniw paliwowych. Konieczność akumulacji energii: zmienność w czasie zapotrzebowania, okresowość dostarczania z OŹE, Korzyści: zmniejszanie obciążeń szczytowych Rodzaje magazynów energii: krótko- i długoterminowe 3
2 Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego Energia słoneczna
2 Oświetlenie światłem dziennym (daylighting) Bydgoszcz. Przykład realizacji
2 Kolektory słoneczne SYSTEM KONWENCJONALNY Wlot zimnej wody Słoneczne instalacje grzewcze Woda zimna Wymiennik ciepła R T T Woda gorąca P 2 Konwencjonalny podgrzewacz wody P 1 Zbiornik akumulujący wodę podgrzaną słonecznie T R pompa temperaturowy, ciśnieniowy zawór nadmiarowy zawór zawór zaporowy 1 SYSTEM SŁONECZNY zawór zwrotny okienko kontrolne Spust wody 0,7 0,6 0,9 0,8 0,7 kolektory płaskie I II III 0,5 0,4 Sprawność 0,6 0,5 0,4 0,3 kolektor tubowo-próżniowy 0,3 0,2 0,1 0,2 0,1 0 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Temperatura zredukowana 0 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Powierzchnia Kolektorów, m 2 stopień pokrycia zapotrzebowania przez system słoneczny roczna sprawność systemu słonecznego
2 Wymiarowanie instalacji np. metodąf-chart X f x 86400 A p F R U L (11.6 1.18t m c w ( t s t z s ) 3.86t z 2.23t a ) Y Ap FR ( ) H m c ( t t ) N 2 2 3 1.029Y 0.065X 0.245Y 0.0018X 0.0215Y w s zenit z S D L( cosβ sinβ ctg α) 7
2 Bariery: Koszty Koherentność magazynowanie? Jakość Niewłaściwe wymiarowanie ale przede wszystkim niedopasowanie instalacji do obiektu.
Stopien pokrycia zapotrzeboania na energię do c.w.u. - rzeczywiste i teoretyczne, [%] 2 ŁÓDŹ SZPITAL 70 60 50 40 30 20 10 0 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII udział w pokryciu potrzeb c.w.u. wartość średnia udział w pokryciu potrzeb c.w.u. - teoria wartość średnia - teoria Stopień pokrycia zapotrzebowania na energię do przygotowania ciepłej wody użytkowej przez instalacje słoneczną, wielkości zmierzone i obliczone (teoretyczne) Ilość kolektorów 162 sztuk Powierzchnia absorbera kolektora 2,32 m 2 Uzysk rzeczywisty 354 kwh/m 2 powierzchni absorbera Uzysk teoretyczny 463 kwh/m 2 powierzchni absorbera 10
Energia słoneczna (wg f-chart) i nonwencjonalna do podgrzania cwu, [MJ] 2 UŚREDNIONE KOSZTY - SZPITAL W OTWOCKU Straty na cyrkulacji (50%) 140000 120000 100000 80000 60000 Ilość kolektorów 79 Powierzchnia absorbera kolektora 2,65 m 2 Uzysk rzeczywisty ~45% sztuk Uzysk teoretyczny 404 kwh/m 2 absorbera 40000 20000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Qkonw MJ/miesiąc Qsł MJ/miesiąc Uśredniony koszt Teoretyczny Teoretyczny z dofinansowaniem Rzeczywisty Rzeczywisty z dofinansowaniem LCoHC 90 zł/gj 37 zł/gj 201 zł/gj 82 zł/gj 11
2 UŚREDNIONE KOSZTY SZPITAL W KŁODZKU MJ/miesiąc 200000 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Qkonw Qsł Ilość kolektorów 150sztuk Powierzchnia absorbera kolektora 1,014m 2 Uzysk rzeczywisty 706kWh/m 2 powierzchni absorbera Teoretyczny 647kWh/m 2 powierzchni absorbera projektowy 776kWh/m 2 powierzchni absorbera Uśredniony koszt LCoHC Rzeczywisty 145 zł/gj 12
2 Słoneczne instalacje przygotowania ciepłej wody użytkowej czy są opłacalne? Przede wszystkim konieczne jest wyeliminowanie nieprawidłowości: Brak danych do opracowania założeń. 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. http://www.front-rhc.eu/ Koszt bardzo silnie zmienny (70-254 zł/gj), zależy od Prawidłowości koncepcji, projektu, przyjętych rozwiązań, parametrów i jakości urządzeń. Warunków użytkowania. Duże dofinansowanie nie skłania do troski o prawidłowe funkcjonowanie i efekty. 13
2 sc-si mc-si ribbon PV a-si/ mc-si CdTe CIS Konwersja fotowoltaiczna Scenariusz BLUE IEA Budynki: Pełna integracja ze strukturą (BIPV) Zaawansowane systemy magazynujące Technologia: c-si sprawność 25% Ogniwa cienkowarstwowe: 20-25%, żywotność 30-35 lat Ogniwa 2, 3 generacji: Sprawność > 40% Ekstremalnie niski koszt: sprawność 10-15%
2 Podawaną jednostką mocy modułu jest Wat pik [W p ] Jest to moc modułu w standardowych warunkach testowych (STC Standard Test Condition). Natężenie promieniowania słonecznego Temperatura ogniw napromieniowanego modułu Spektrum promieniowania słonecznego Standardowe warunki testu (STC - Standard Test Conditions) 1000 [W/m 2 ] 25 o C AM 1,5 Sprawność komercyjnych modułów fotowoltaicznych Moduły z ogniw krzemowych monokrystaliczne poli-krystaliczne amorficzne sc-si mc-si a-si/μc-si Moduły CdTe (Tellurek Kadmu) Moduły CIS/CIGS CIS Selenek Indowo- Miedziowy) 14-20% 13-15% 6-9% 9-11% 10-12% 15
2 800,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00-100,00-200,00 Przychody = korzyści (uniknięte koszty energii elektrycznej spłata kredytu, zł Prosument Zużycie na własne potrzeby, % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ale i w architekturze Moduły przezierne Zadaszenie wiaty parkingowej 16
2 Słoneczna instalacja przygotowania ciepłej wody użytkowej zasilana PV (Biszcza) kolektory promieniowania słonecznego + PV 17
3 Wykorzystanie energii zawartej w otoczeniu domu za pośrednictwem pomp ciepła Powietrze zewnętrzne Dolne źródła ciepła: I. naturalne (odnawialne) powietrze zewnętrzne wody powierzchniowe (rzeki, jeziora) wody gruntowe wody geotermalne grunt promieniowanie słoneczne Zrzut (otwór chłonny) Absorber gruntowy poziomy II. sztuczne (odpadowe) powietrze i gazy odlotowe woda odpadowa ścieki woda chłodnicza Koszty eksploatacyjne Studnia Pompa ciepła zł/kwh (energii elektrycznej) ekonomika zł/kwh energii elektrycznej zł/kwh ciepła ze źródła konwencjonalnego (współczynnik wydajności grzejnej) = zł/kwh ciepła 18
3 Możliwości funkcjonowania biwalentnego grzewczego układu z pompą ciepła Średnie wartości efektywności cieplnej (COP) współczesnych pomp ciepła: COP = 5,5 dla wód gruntowych jako dolnego źródła ciepła, COP = 4,4 dla gruntu jako dolnego źródła ciepła, COP = 3,2 dla powietrza jako dolnego źródła ciepła. Dzięki zmniejszaniu zużycia napędowej energii elektrycznej na potrzeby własne pompy ciepła oraz na potrzeby pomp do przetłaczania czynników w dolnym źródle, a także niskotemperaturowemu ogrzewaniu pomieszczeń, osiągane są wartości SPF na poziomie 6. Scenariusz BLUE IEA Budynki: 50-70% z pompami ciepła obciążenie grzewcze kocioł szczytowy Pompa ciepła kocioł szczytowy Pompa ciepła kocioł szczytowy Pompa ciepła system alternatywny system równoległy system mieszany Liczba dni Liczba dni Liczba dni
3 Rodzaj paliwa Pelety Brykiety Zrębki wartość opałowa [MJ/kg] węgiel 25,0 olej 41,0 gaz 48,7 ziemny gaz 49,8 płynny słoma 17,0 drewno 19,0 odpady 9,2 Qu [MWh/t] 4 3.5 3 2.5 2 1.5 Wartość opałowa KOTŁY NA BIOMASĘ Paliwa drzewne w Polsce 1 0.5 wilgotność 0 25 35 45 55 65 w [%] 20
3 Nieprzerobione drewno energetyczne dzieli się na: drewno opałowe; paliwo rozgniatane drewno, kora, igły lub liście rozdrobnione w zgniataczu rolkowym lub młynie bijakowym; paliwo rozbijane; zrębki drzewne - uzyskiwane z drewna poddanego rozdrobnieniu narzędziami nożowymi (rębakami) na kawałki o rozmiarach od 5 do 50 mm. Ten rodzaj drewna jest najbardziej przydatny do spalania.
3 Przerobione drewno energetyczne dzieli się na: Rozdrabnianie może odbywać się metodą mielenia, skrawania lub podobną. Po rozdrobnieniu następuje prasowanie materiału, najczęściej w prasie tłokowej. brykiet - kształt cylindryczny lub prostopadłościenny i rozmiary przekraczające 25 mm, wytwarzane przez sprasowanie rozdrobnionego drewna energetycznego; trociny - produkt odpadowy powstający podczas piłowania. Rozmiar cząstek zawiera się między 1 i 5 mm; pelety wytwarzane podobnie jak brykiety przez sprasowanie dokładnie rozdrobnionego materiału. Pelety, produkowane z użyciem prasy matrycowej, mają zwykle kształt cylindryczny i średnice mniejsze niż 25 mm. Często w procesie ich produkcji jednocześnie prowadzi się dosuszanie; pył drzewny - powstaje z wysuszonego materiału surowego poddanego mieleniu na cząstki o rozmiarach mniejszych niż 1 mm. 22
3
3 Sprawności urządzeń do spalania rodzaj urządzenia Sprawność Kominek otwarty 10-30% piec kominkowy 15-60% piec kaflowy 40-75% kocioł zgazujący bez zbiornika buforowego kocioł zgazujący ze zbiornikiem buforowym 50-75% 60-85% Kocioł na zrębki 70-90%
3 Palenisko korytkowe Palenisko z piecem przednim Palenisko z rusztem podsuwowym
3
3 Opłacalność przewozu paliw z biomasy [zł/gj] 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Słoma Zrębki Pelet 0 50 100 150 200 250 [km] l.p. Rodzaj paliwa Cena Zużycie paliwa 1. Słoma 694 zł 3 472 kg 2. Zrębki 1 428 zł 8 400 kg 3. Brykiet ze słomy 3000 zł 5 000 kg 4. Pelet z łusek słonecznika 2 650 zł 5 319 kg 5. Pelet drzewny 3 457 zł 5 320 kg 6. Brykiet drzewny 3 830zł 5 319 kg 7. Węgiel kamienny 2 810zł 3 512kg 8. Gaz ziemny 6 485zł 1 821 m 3 9. Olej opałowy 7 560 zł 1 977 m 3 l.p Rodzaj paliwa Wartość Cena jednostkowa. opałowa 1. Słoma 13 100 zł/t 2. Zrębki 18 170 zł/t 3. Pelet z łusek 21 400 zł/t słonecznika 4. Brykiet ze słomy 17 500 zł/t 5. Pelet drzewny 17 650 zł/t 6. Brykiet drzewny 17 720 zł/t 7. Węgiel kamienny 25 800 zł/t 8. Gaz ziemny 36 3,56 zł/m 3 9. Olej opałowy 41 3,84 zł/l 27
3 gruntowa pompa ciepła i kolektory słoneczne jako źródła ciepła w systemie ogrzewania podłogowego; mały kocioł na biomasę i kolektory słoneczne w systemie ogrzewania ściennego; gazowo-słoneczny kocioł zasilający wymiennik umieszczony w układzie wentylacyjnym; ciepło sieciowe lub kolektory słoneczne realizujące wspomniane funkcje. Typowe rozwiązania systemów grzewczych domów energooszczędnych, z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii: Rozwiązania niekonwencjonalne, dotyczące pozyskiwania, magazynowania i utylizacji energii i odpadów, w tym: stosowanie niekonwencjonalnych materiałów budowlanych, w tym specjalnych osłon szklanych (szkło elektrochromiczne, pokryć o niskiej emisyjności), izolacji transparentnych, itp.; sezonowe magazynowanie energii cieplnej w gruncie, zbiornikach wodnych; magazynowanie energii cieplnej przy wykorzystaniu zjawiska zmiany stanu skupienia (materiał magazynujący woski i inne materiały); wstępne podgrzewanie lub chłodzenie powietrza wentylacyjnego w elementach rurowych pod ziemią; wykorzystanie naturalnej oczyszczalni ścieków; wykorzystanie wody deszczowej; 28 zastosowanie ogniw paliwowych i magazynowanie wodoru.
4 Cele magazynowania energii (np. na sposób ciepła) Magazynowanie ciepła w budynkach: Zmniejszenie szczytowego zapotrzebowania na energię Uzyskania warunków komfortu cieplnego (stabilizacja temperatury w pomieszczeniach) Efektywne wykorzystanie energii słonecznej Efektywne wykorzystanie naturalnych warunków klimatycznych Poprawa efektywności np. ogniw fotowoltaicznych Magazynowanie ciepła/chłodu (magazynowanie energii na sposób ciepła): dostarczanie energii na sposób ciepła do materiału akumulującego przechowywanie odbiór Sposoby akumulacji 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 29
4 Zasobniki ciepła w budynkach Zasobniki w strukturze budynku specjalne/wydzielone zasobniki Zasobniki strukturalne Zasobniki cienkowarstwowe Zasobniki średniej wielkości Zasobniki masywne Magazyny ciepła instalacji grzewczych R & D Rodzaje magazynów energii: krótko- i długoterminowe w formacjach wodonośnych w gruncie w złożach sztucznych 30 Konieczność akumulacji energii: zmienność w czasie zapotrzebowania, okresowość dostarczania z OŹE, różnorodność form wytwarzania.
4 Źródło: AEE INTEC Sezonowe magazynowanie ciepła Ząbki akumulator wodny: 800 m 3 o średnicy 14 m i wysokości 8 m 150 m 2 kolektorów słonecznych
4 Temperatura, oc 35 30 25 20 15 10 5 0 Temperatura w funkcji entalpii właściwej wybranych materiałów budowlanych magazynowanie z wykorzystaniem ciepła przemian fazowych 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 beton tynk wapienny parafina RT26 Micronal DS 5001X 0 50 100 150 200 250 Entalpia właściwa, MJ/m 3 sosna żółta beton tynk wapienny parafina RT26 Micronal DS 5001X sosna żółta 32
0 2400 4800 7200 9600 12000 14400 16800 19200 21600 24000 26400 28800 31200 33600 36000 38400 40800 43200 45600 48000 50400 52800 55200 57600 60000 62400 64800 67200 69600 72000 74400 76800 79200 81600 84000 86400 4 Technologie łączenia materiału PCM z materiałami budowlanymi Bezpośrednie zmieszanie; Nasycanie materiałem PCM elementów porowatych; Kapsułkowanie; Wytwarzanie elementów PCM do umieszczenia w elementach budowlanych (walce, maty); Wytwarzanie płyt laminowanych (najczęściej z wełny mineralnej) z cienką wewnętrzną warstwą materiału PCM). Ciepło właściwe, kj/(kgk) 40 35 30 25 20 15 10 5 Micronal 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Temperatura, C Wyniki symulacji numerycznej przykładowy dzień 25 24 23 22 21 20 19 18 Tpow(A) Tpow(B) 33
4 Zastosowanie PCM w budynku wielo-piętrowym. PCM - w układzie chłodzenia sufitowego. Sufity pomieszczeń na piętrze posiadają płyty gipsowe z mikrokapsułkami z PCM, nad którymi umieszczono rurowy system chłodzący. Płyta ma grubość 4 cm i wagę 40 kg/m 2. Panele z materiałem PCM w układzie ogrzewania wodnego podłogowego Rurowe elementy z PCM zastosowane w pustakach sufitowych Panele ścienne z PCM Materiał PCM domieszkowany do warstwy tynku 34
Temperatura, [ o C] 4 Idee kolejne tkaniny impregnowane materiałem PCM 45 40 35 30 Tył, góra Tył, dół Otoczenie Front, góra Front, dół model 25 20 15 Tkanina dwustronnie powlekana; 37/18; 37 z tyłu, swobodnie wisząca 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 Czas, [s]
Zastosowanie odnawialnych źródeł energii i magazynowania energii w budynkach Najlepiej w energooszczędnych; Różnorodność dostępnych rozwiązań; Rozwój technologii; Indywidualne podejście konieczne jakkolwiek pewna typizacja jest możliwa; Ilościowa analiza i ocena ekonomiczna rozwiązań konieczna; Całościowe, zintegrowane podejście.