Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 Dr inż. Piotr Jadwiszczak Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Wrocławska 1
PORT PC 214
Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 Wstęp Nowelizacja warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (WT), która weszła w życie 1 stycznia 214 roku [1], zmienia wymagania odnośnie energooszczędności budynków. Zaplanowano stopniowe zaostrzanie wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej przegród budowlanych [2] oraz energooszczędności instalacji wentylacji i klimatyzacji [3] kolejno w roku 214, 217 i 221. Według nowelizacji WT budynek spełnia wymagania odnośnie energooszczędności, gdy jednocześnie współczynniki przenikania ciepła U wszystkich przegród budowlanych są mniejsze od wartości granicznych U C(max) oraz wskaźnik rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia EP nie przekracza wartości granicznej. Kolejną zachętą do wznoszenia budynków o niskim zapotrzebowaniu energii jest Program Priorytetowy NFOŚiGW Efektywne wykorzystanie energii (NF) [5]. Przewiduje on dopłaty dla inwestorów, którzy zdecydują się na budowę budynku spełniającego warunki programu. Wytyczne Programu obejmują minimalne wymagania techniczne budynków w standardzie NF15 i NF4 (U, n 5, EUco, η co, η cwu, η rekup itd.), sposób potwierdzenia spełnienia przez wymagań projekt budowlany, sposób potwierdzenia spełnienia wymagań przez zrealizowany budynek oraz wymagania w zakresie zapewnienia jakości robót budowlanych i procesu budowlanego. Zarówno nowelizacja WT, jak i Programy Priorytetowe Efektywne wykorzystanie energii czy Prosument [6] zmieniają warunki stosowania i rodzaj technologii ogrzewania budynków i podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Kształtują tym samym rynek techniki grzewczej i OŹE, co jest szczególnie widoczne w wytycznych po roku 217 i 221 (WT 217 i WT 221). instalacji c.o., chłodzenia, c.w.u. i wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Wyznaczanie i interpretacja współczynnika przenikania ciepła U komponentów budowlanych nie przysparza branżystom trudności. Obliczany na podstawie prostych równań liniowych, określa właściwości izolacyjne elementów budynku, opisując strumień ciepła przenikający przez dany element w warunkach projektowych wyrażony w W/m 2 K. Nawet osoby spoza branży rozumieją znaczenie U oraz konieczność uzyskiwania jego jak najniższych wartości. W wypadku wskaźnika rocznego zapotrzebowania budynku na nieodnawialną energię pierwotną EP wiele osób ma problem z jego poprawnym wyznaczeniem i interpretacją. Proces obliczeniowy jest złożony i w niejednym miejscu uznaniowy. Dla osób spoza branży wskaźnik EP jest często niezrozumiały, ponieważ mimo konkretnych jednostek kwh/m 2 rok EP nie mówi o zapotrzebowaniu konkretnego nośnika energii w danym budynku, nie określa też kosztów eksploatacji. A przecież wskaźnik EP jest podstawowym kryterium spełnienia wymagań WT. W praktyce wskaźnik EP należy rozpatrywać w powiązaniu ze wskaźnikami zapotrzebowania energii użytkowej EU i końcowej EK, wyrażonymi również w kwh/m 2 rok. Wskaźniki te są wyznaczane w procesie obliczania EP i są dla niego podstawą obliczeniową. Wskaźnik EU opisuje energochłonność bryły budynku. Wskaźnik EK opisuje zapotrzebowanie energii dostarczanej do granicy obliczeniowej budynku, uwzględniając energochłonność budynku oraz średnią sprawność sezonową η tot zastosowanych w nim instalacji ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia (rys. 1). Zapotrzebowanie energii końcowej określa obliczeniowe roczne zapotrzebowanie budynku na energię (paliwo lub nośnik energii), określając tym samym teoretyczne roczne koszty zaopatrzenia budynku np. w ciepło. Waga tych informacji została Wartości graniczne w Warunkach Technicznych i programie NFOŚiGW Wszelkie warunki i wymagania jakie ma spełniać budynek i jego wyposażenie instalacyjne opisane są wartościami granicznymi. W Warunkach Technicznych (WT) są to wartości graniczne U i EP (nieodnawialna energia pierwotna na cele ogrzewania, chłodzenia, wentylacji, przygotowania c.w.u. i oświetlenia w kwh/m 2 rok). W programie NFOŚiGW (NF) zastosowano szerszy zestaw wymagań obejmujący wartości graniczne U, EUco (energia użytkowa na cele ogrzewania i wentylacji) oraz minimalne sprawności Rys. 1. Energia użytkowa, końcowa i pierwotna w systemie energetycznym budynku. 3
Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 zatracona w procesie certyfikowania budynków, który skupia się na spełnieniu wymagań EP. Przywołane w programie NF roczne jednostkowe zapotrzebowanie energii użytkowej na cele ogrzewania i wentylacji EU co jest tożsame z przywołanym powyżej współczynnikiem EU, jednak obejmuje jedynie potrzeby ogrzewania i wentylacji. Nie obejmuje przygotowania c.w.u. i innych. Nowelizacja wymagań WT odnośnie U i EP Według znowelizowanych WT wszystkie przegrody budynku musi spełniać jednocześnie warunek U U C(max) oraz EP EP max. Zawarte w nowelizacji etapowe zmiany wartości granicznych U C(max) dla charakterystycznych przegród budowlanych wyraźnie uwidaczniają trend ponoszenia wymagań odnośnie izolacyjności cieplnej budynków (tabela 1). Analogicznie wprowadzono zaostrzenie wymagań odnośnie rocznego zapotrzebowania budynków na nieodnawialną energię pierwotną poprzez etapowe obniżania granicznych wartości EP (tabela 2). Spełnienie wymagań znowelizowanych Warunków Technicznych Zmieniające się Warunki Techniczne (WT) zaostrzają wymagania odnośnie energooszczędności budynków, zarówno w odniesieniu do obciążenia cieplnego (m.in. U przegród budowlanych), jak i zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP. Projekty budynków muszą uwzględniać zmieniające się co 3-4 lata wymagania, wyprzedzając niejednokrotnie wymagania aktualne w roku projektowania. Adaptacji, a często istotnych zmian wymaga również cała gama projektów gotowych oraz tych, których zgłoszenie do budowy opóźniło się z różnych przyczyn. Obliczeniowo istnieją trzy drogi obniżania wskaźnika EP budynku w celu spełnienia wymagań WT: zwiększenie izolacyjności cieplnej i szczelności powietrznej budynku w celu obniżenia rocznego zapotrzebowania na energię użytkową (wskaźnik EU, kwh/m 2 rok), a tym samym nieodnawialną pierwotną, stosowanie źródeł energii i instalacji o wysokich sprawnościach w celu obniżenia rocznego zapotrzebowania na energię końcową (wskaźnik EK, kwh/m 2 rok), a tym samym nieodnawialną pierwotną, zastosowanie źródeł energii o niskim współczynniku nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej w i na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii do budynku w celu obniżenia rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię końcową (wskaźnik EP, kwh/m 2 rok). Wybór oraz właściwe zastosowanie rozwiązań obniżających wskaźnik EP budynku wymaga rzetelnej wiedzy inżynierskiej, popartej znajomością stosowanych materiałów i technologii. Należy pamiętać, że określone rozwiązania ograniczające zapotrzebowanie energii użytkowej wymagają np. zagwarantowania dostępności paliwa, zużycia dodatkowej energii pomocniczej, wprowadzenia osprzętu lub odpowiednich pomieszczeń, co w niekorzystnych warunkach może negować sens lub zerować wynik energetyczny zastosowania danego rozwiązania. Niestety częstą praktyką jest projektowanie budynków pod kątem spełnienia jedynie minimalnych wymagań Warunków Technicznych Tabela 1: Graniczne maksymalne wartości współczynnika przenikania ciepła U wybranych przegród budowlanych budynku jednorodzinnego, W/m 2 K. Wartość graniczna U C(max), W/m 2 K WT 28 WT 214 WT 217 WT 221 NF4** Ściana zewnętrzna,3,25,23,2,15 Podłoga na gruncie,45,3,3,3,2 Dach, stropodach i strop pod poddaszem nieogrzewanym,25,2,18,15,12 Okna pionowe 1,7-1,8* 1,3 1,1,9 1, Okna połaciowe 1,8 1,5 1,3 1,1 1, Drzwi zewnętrzne 2,6 1,7 1,5 1,3 1,3 *zależnie od strefy klimatycznej, ** dla I, II i III strefy klimatycznej 4 Tabela 2: Graniczny wskaźnik rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz oświetlenia dla domów jednorodzinnych EP, kwh/m 2 rok. Rodzaj budynku Dom jednorodzinny * zależnie do A/V e i przygotowania c.w.u. EP wg WT 28 73+ΔEP W do 149,5+ΔEP W * EP wg WT 214 EP wg WT 217 12 95 7 EP wg WT 221
Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 w zakresie ochrony cieplnej i szczelności powietrznej. Architekt, wykonawca i inwestor wybierają rozwiązania pozwalające obniżyć koszty inwestycyjne, bez analizy przyszłych kosztów eksploatacji czy dopasowania do planowanych rozwiązań instalacyjnych. Analiza obliczeniowa W celu sprawdzenia możliwości spełnienia rosnących wymagań zawartych w nowelizacji WT dokonano wariantowej analizy na przykładzie trzech rodzajów budynków jednorodzinnych (rys. 2): parterowy budynek wolnostojący o powierzchni 86 m 2 z nieużytkowym poddaszem (ozn. Bud 1), dwukondygnacyjny budynek wolnostojący o powierzchni 172 m 2 z nieużytkowym poddaszem (ozn. Bud 2), będący złożeniem dwóch kondygnacji jak w Bud 1, dwukondygnacyjny budynek jak Bud 2 lecz jako środkowy segment w zabudowie szeregowej, o powierzchni 172 m 2 i nieużytkowym poddaszem (ozn. Bud 3). Dla każdego rodzaju budynku wyznaczono wskaźnik EP w dziewięciu wariantach wyposażenia instalacyjnego: Wariant 1: budynek ocieplony jest zgodnie ze standardami WT, ogrzewanie zapewnia niskoparametrowa instalacja wodna centralnego ogrzewania zasilana gazowym kotłem kondensacyjnym, dwufunkcyjnym z przepływowym przygotowaniem c.w.u., w budynku występuje wentylacja grawitacyjna. Nośnikiem energii jest gaz ziemny (współczynnik nakładu w i = 1,1) oraz pomocnicza energia elektryczna (w i = 3,). W analizie jest to rozwiązanie bazowe, często wybierane przez projektantów i inwestorów. Wariant 2 jest próbą zwiększenia udziału energii odnawialnej przez zastosowanie w budynku z wariantu 1 układu solarnego wspomagającego przygotowanie c.w.u. Kolektory słoneczne pokrywają 6% rocznego zapotrzebowania ciepła na cele c.w.u. (współczynnik nakładu w i = ), wymagają wprowadzenia zasobnika c.w.u. i zużycia dodatkowej energii elektrycznej (współczynnik nakładu w i = 3,) do zasilania układu automatycznej regulacji, pompy solarnej i pompy ładującej zasobnik z kotła gazowego. Wariant 3 jest kopią wariantu 2 z dodanym układem wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, który ograniczając zapotrzebowanie energii użytkowej wymaga zwiększonej szczelności powietrznej budynku (zmiana n 5 z 2, na,6 1/h) oraz zasilania pomocniczą energią elektryczną. Wariant 4 jest kopią wariantu 1 z zastąpieniem kotła kondensacyjnego nowoczesnym kotłem na biomasę (współczynnik nakładu w i =,2), np. kocioł na pelet z automatycznym podajnikiem paliwa. Kocioł zasila centralne ogrzewanie i zasobnik c.w.u. z dodatkową pompą ładującą. W wariancie 5 zastąpiono kocioł z wariantu 1 pompą ciepła typu glikol/woda (B/W) z gruntowym wymiennikiem ciepła. Zwiększono przez to sprawność systemu i udział energii odnawialnej, co obniża zapotrzebowanie konwencjonalnej energii końcowej. Zmiana źródła ciepła wymaga wprowadzenia zasobnikowego systemu przygotowania c.w.u., tym samym dodatkowej pompy ładującej zasobnik. Jedynym nośnikiem energii jest tu energia elektryczna o współczynniku nakładu w i = 3,. Wariant 6 jest próbą obniżenia zapotrzebowania energii użytkowej przez zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, przy zachowaniu wyposażenia instalacyjnego z wariantu 5. Wentylacja mechaniczna odzyskuje energię z powietrza wywiewanego, wymagając jednak zasilania dodatkową energią elektryczną (w i = 3,) i zwiększenia szczelności powietrznej budynku do,6 1/h. Wariant 7 jest identyczny jak wariant 6, lecz zastosowano w nim pompę ciepła typu powietrze woda. Wariancie 8 jest identyczny jak wariant 6, lecz pompa ciepła typu glikol/woda zasilana jest energią elektryczną produkowaną w całości z układu ogniw PV (system otwarty o zerowym bilansie w skali roku). Jedynym nośnikiem energii jest zielona energia elektryczna wytwarzana zdalnie o współczynniku nakładu w i =,7. Wariant 9, podobnie jak poprzednio, jest analogiczny do wariantu 6, lecz całość energii elektrycznej pochodzi z lokalnego źródła energii odnawialnej jaki jest np. wyspowa instalacja PV z pakietem akumulatorów. W taki systemie współczynnik nakładu nieodnawianej energii pierwotnej w i =,. Rys. 2. Analizowane rodzaje budynków: parterowy wolnostojący (Bud 1), piętrowy wolnostojący (Bud 2) i piętrowy w zabudowie szeregowej (Bud 3). 5
Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 25 Bud 1 parterowy - EP wg WT 28 148 117 12 12 12 16 Bud 1 Bud 2 Bud 3 95 95 95 7 7 7 WT28 WT214 WT217 WT221 2 15 1 5 21 181 159 62 159 146 163 34 + PV EPmax 148 + Pva 6 Rys. 3. Graniczne wartości EP max według WT 28, 214, 217 i 221 dla analizowanych typów budynków, kwh/m 2 rok. Wszystkie budynki zlokalizowano w II strefie klimatycznej, w rejonie stacji meteorologicznej Wrocław. Rozwiązania konstrukcyjne zapewniają wymagane właściwymi przepisami współczynniki izolacyjności cieplnej przegród budowlanych U (jak w tabeli 1) oraz szczelność powietrzną n 5 = 2, 1/h w wypadku wentylacji naturalnej oraz n 5 =,6 1/h w wypadku wentylacji mechanicznej z rekuperacją. Założono, że budynki zamieszkuje czteroosobowa rodzina. Zużycie c.w.u. o temperaturze 55 C wynosi 35 dm 3 /os.d. Standardowe wewnętrzne zyski ciepła przyjęto na poziomie 3, W/m 2. Wyniki obliczeń dla budynków według WT zestawiono w tabeli 3. Dla każdego wariantu według WT wyznaczono wskaźnik jednostkowy rocznego zapotrzebowania na energię użytkową EU, końcową EK, nieodnawialną pierwotną EP oraz wartość graniczną EP max określoną standardem warunków technicznych z lat 28, 214, 217 i 221. Kolorem zielonym zaznaczono warianty spełniające wymagania WT, a kolorem żółtym te bliskie wartościom granicznym, w których możliwe są drobne korekty ulepszające. Analizując wyniki zawarte w tabeli 3 na uwagę zasługuje fakt, że dla budynków o niskim A/V e graniczna wartość EP max według poprzednich WT 28 jest niższa niż według WT 214. Dzieje się tak ze względu na rezygnację uzależnienia wartości granicznej EP max w znowelizowanych WT od współczynnika kształtu budynku. Uwagę zawraca również zerowa wartość wskaźnika EP dla budynków z systemami opartymi o pompy ciepła, które zasilane są energią elektryczną produkowaną w lokalnej wyspowej elektrowni PV z układem akumulacyjnym (PVa). Zgodnie z RMI [4] współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii (lub energii) końcowej do ocenianego budynku wi określa dostawca energii lub nośnika energii. W tym wypadku w i =. Rys. 4. Wariantowe wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku parterowego Bud 1 w standardzie WT 28, kwh/m 2 rok. 2 15 1 5 EPmax 12 165 145 121 54 129 119 131 27 Rys. 5. Wariantowe wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku parterowego Bud 1 w standardzie WT 214, kwh/m 2 rok. 2 15 1 5 Bud 1 parterowy - EP wg WT 214 + PV 156 135 111 52 122 16 118 25 + Pva EPmax 95 Rys. 6. Wariantowe wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku parterowego Bud 1 w standardzie WT 217, kwh/m 2 rok. 2 15 1 5 Bud 1 parterowy - EP wg WT 217 + PV 144 123 11 49 118 14 114 24 Bud 1 parterowy - EP wg WT 221 + PV + Pva EPmax 7 + Pva Rys. 7. Wariantowe wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku parterowego Bud 1 w standardzie WT 221, kwh/m 2 rok.
Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 Tabela 3. Wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku na energię użytkową EU, końcową EK oraz nieodnawialną pierwotną EP do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej, kwh/m 2 rok. Wg. WT28 Wg. WT214 Wg. WT217 Wg. WT221 n 5 1/h Źródło ciepła Rodzaj went. Wariant EU EK EP EP max EU EK EP EP max EU EK EP EP max EU EK EP EP max Budynek 1: Parterowy dom jednorodzinny, 86 m 2, A/V e =,76 1.1 nat.. 2 157 173 21 126 14 165 118 132 156 18 122 144 1.2 nat. 2 157 271 181 126 238 145 118 23 135 18 352 123 1.3,6 132 245 159 12 213 121 94 25 111 85 327 11 1.4 nat. biomasa 2 157 229 62 126 213 54 118 182 52 18 168 49 1.5 nat. 2 156 53 159 148 126 43 129 12 118 41 122 95 18 39 118 7 1.6,6 132 48 146 12 39 119 94 35 16 85 34 14 1.7,6 132 54 163 12 44 131 94 39 118 85 38 114 1.8 +PV,6 132 48 34 12 39 27 94 35 25 85 34 24 1.9 +PVa,6 132 48 12 39 94 35 85 34 Budynek 2: Piętrowy dom wolnostojący, 172 m 2, A/V e =,41 2.1 nat.. 2 122 136 16 12 114 136 96 19 129 89 11 121 2.2 nat. 2 122 234 138 12 213 116 96 27 18 89 2 1 2.3,6 98 28 115 79 188 94 73 182 86 66 176 79 2.4 nat. Biomasa 2 122 178 51 12 158 46 96 142 42 89 14 42 2.5 nat. 2 122 43 131 117 12 37 112 12 96 35 17 95 89 33 11 7 2.6,6 98 38 115 79 33 98 73 31 93 66 26 8 2.7,6 98 42 127 79 36 17 73 34 11 66 29 87 2.8 +PV,6 98 38 27 79 33 23 73 31 22 66 26 18 2.9 +PVa,6 98 38 79 33 73 31 66 26 Budynek 3: Piętrowy dom w zabudowie szeregowej, 172 m 2, A/V e =,2 3.1 nat.. 2 12 116 137 87 1 119 83 95 114 77 89 17 3.2 nat. 2 12 214 117 87 197 97 83 193 92 77 187 87 3.3,6 8 189 95 66 174 77 62 17 72 57 165 67 3.4 nat. Biomasa 2 12 16 47 87 138 41 83 132 4 77 124 38 3.5 nat. 2 12 37 113 16 87 33 1 12 83 32 96 95 77 3 91 7 3.6,6 8 33 99 66 28 86 62 27 83 57 26 78 3.7,6 8 36 18 66 31 93 62 3 89 57 28 84 3.8 +PV,6 8 33 23 66 28 2 62 27 19 57 26 18 3.9 +PVa,6 8 33 66 28 62 27 57 26 7
Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 2 15 1 5 Rys. 8. Wariantowe wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku piętrowego Bud 2 w standardzie WT 28, kwh/m 2 rok. 15 1 5 EPmax 117 16 138 115 51 131 115 127 27 Rys. 9. Wariantowe wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku piętrowego Bud 2 w standardzie WT 214, kwh/m 2 rok. 15 1 5 Bud 2 piętrowy - EP wg WT 28 + PV + Pva EPmax 12 136 116 94 46 112 98 17 23 Bud 2 piętrowy - EP wg WT 214 + PV 129 18 86 42 17 93 11 22 Bud 2 piętrowy - EP wg WT 217 + PV + Pva EPmax 95 + Pva Rys. 1. Wariantowe wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku piętrowego Bud 2 w standardzie WT 214, kwh/m 2 rok. Parterowy dom wolnostojący z poddaszem nieużytkowym Jest to budynek mały, a przez to tani w budowie czy zakupie, dom parterowy wolnostojący o powierzchni 86 m 2 z nieużytkowym poddaszem. Budynki takie cieszą się coraz większym zainteresowaniem inwestorów, będąc bezpośrednią alternatywą mieszkania. W podstawowym wariancie budynek nigdy nie spełnia wymagań WT, mimo iż jego przegrody budowlane spełniają wymóg U C(max). Spowodowane jest to niekorzystnym współczynnikiem kształtu A/V e =,76. Pierwsze spełnienie warunku EP max według WT28 występuje po zastosowaniu pompy ciepła i wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, podobnie dla WT 214. Wynika to z wysokiego EP max granicznego (12 kwh/m 2 rok), który łatwo osiągnąć. Ten sam wariant, mimo zwiększania izolacyjności cieplnej przegród, nie spełnia już ostrzejszych wymagań wg WT 217 i 221. Spełnienie warunku EP max, niezależnie od roku WT, osiągnięto po zastosowaniu kotła na biomasę. Niski współczynnik nakładu energii nieodnawialnej (w i =,2), przy całkowitym pokryciu potrzeb cieplnych z biomasy, pozwala osiągnąć wskaźnik EP dalece niższy niż wymagany warunkami technicznymi. Zastosowanie kotła na biomasę w świetle metodologii wyznaczania EP okazuje się skuteczniejsze od zastosowania pomp ciepła czy kolektorów słonecznych. Fenomenalne wręcz wyniki daje zastosowanie pompy ciepła zasilanych energią elektryczną pochodzącą z odnawialnych źródeł energii jakim są ogniwa fotowoltaiczne PV. Wysoka sprawność PC obniża zapotrzebowanie energii końcowej, a zielona energia elektryczna obniża lub zeruje zapotrzebowanie energii pierwotnej (zależnie od miejsca wytwarzania energii elektrycznej: w i =,7 dla centralnych lub otwartych systemów PV z dystrybucją energii oraz w i = dla systemów wyspowych z akumulacją). 15 Bud 2 piętrowy - EP wg WT 221 1 EPmax 7 5 8 121 1 79 42 11 8 87 18 + PV + Pva Rys. 11. Wariantowe wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku piętrowego Bud 2 w standardzie WT 221, kwh/m 2 rok.
Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 Piętrowy dom wolnostojący z poddaszem nieużytkowym Analogicznej analizie poddano budynek wolnostojący, dwukondygnacyjny o powierzchni 172 m 2 (złożenie dwóch kondygnacji poprzedniego budynku) z nieużytkowym poddaszem. W porównaniu do poprzedniego budynku cechuje go większe zapotrzebowanie energii, lecz zwarta bryła powoduje (współczynnik kształtu A/V e =,41), że jednostkowe wskaźniki energochłonnością (EU, EK i EP) są tu niższe niż poprzednio. Budynek dwukondygnacyjny spełnia wymagania EP max w tych samych wariantach, co budynek parterowy oraz dodatkowo w standardzie WT 214 i 217. Podobnie jak w wypadku budynku poprzedniego źródło ciepła na biomasę jest obliczeniowo najlepszym rozwiązaniem wśród rozwiązań konwencjonalnych. Zastosowanie pomp ciepła zasilanych zieloną energią elektryczną znów daje najlepsze wyniki. Niższe niż w budynku parterowym jednostkowe wskaźniki rocznego zapotrzebowania energii wskazują na lepszą charakterystykę energetyczną budynku, jednak nie oznaczają niższych niż poprzednio rachunków za energię. Dzieje się tak, ponieważ strefa ogrzewana jest dwukrotnie większa niż w budynku parterowym. Piętrowy dom w zabudowie szeregowej z poddaszem nieużytkowym Trzecim analizowanym budynkiem jest dwukondygnacyjny budynek, identyczny jak poprzedni, lecz zlokalizowany jako środkowy segment zabudowy szeregowej. Fakt zabudowy szeregowej poprawia możliwość spełnienia EP max, szczególnie gdy wskaźnik graniczny EP max nie zależy już od współczynnika kształtu (WT 214, 217 i 221). Mimo ograniczonych statycznych strat ciepła budynek w podstawowym wyposażeniu instalacyjnym spełnia wymagania tylko dla WT 214. Zastosowanie pompy ciepła, wentylacji mechanicznej, układu solarnego c.w.u., kotła na biomasą i PV daje analogiczne wyniki jak w wypadku dwóch poprzednich budynków. 15 1 5 Rys. 12. Wariantowe wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku w zabudowie szeregowej Bud 3 w standardzie WT 28, kwh/m 2 rok. 15 1 5 EPmax 16 137 117 95 47 113 99 18 23 Bud 3 szeregowy - EP wg WT 28 + PV + Pva EPmax 12 119 97 77 41 1 86 93 2 Rys. 13. Wariantowe wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku w zabudowie szeregowej Bud 3 w standardzie WT 214, kwh/m 2 rok. 15 1 5 Bud 3 szeregowy - EP wg WT 214 + PV + Pva EPmax 95 114 92 72 4 96 83 89 19 Rys. 14. Wariantowe wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku w zabudowie szeregowej Bud 3 w standardzie WT 217, kwh/m 2 rok. 15 Bud 3 szeregowy - EP wg WT 217 Bud 3 szeregowy - EP wg WT 221 + PV + Pva 1 EPmax 7 5 17 87 67 38 91 78 84 18 + PV + Pva Rys. 15. Wariantowe wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania budynku w zabudowie szeregowej Bud 3 w standardzie WT 221, kwh/m 2 rok. 9
Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 1 Czy wskaźnik EP jest najważniejszy? Zapotrzebowanie budynku na nieodnawialną energię pierwotną jest, obok izolacyjności cieplnej przegród budowlanych, podstawowym kryterium oceny budynku według wymagań znowelizowanych warunków technicznych. Obliczenia wykazały, że spełnienie wymagań odnośnie U C(max) nie gwarantuje automatycznie spełnienia warunku EP max. Znaczenie ma również rodzaj źródła energii i wyposażenie instalacyjne budynku. Obecna metodologia obliczeń EP wyraźnie premiuje rozwiązania cechujące się niskim współczynnikiem nakładu energii nieodnawialnej (w i ), a znacznie słabiej te oparte na systemach o wysokich sprawnościach energetycznych. Obliczeniowo łatwiej jest obniżyć projektową wartość EP stosując kocioł na biomasę, niż np. pompę ciepła zasilaną energią elektryczną z sieci krajowej. W pogoni za wymaganą wartością wskaźnika EP wielu inżynierów zapomina, że poprawna analiza energetyczna budynku nie powinna opierać się jedynie o wymagany warunkami technicznymi wskaźnik EP, lecz powinna uwzględniać również wskaźnik zapotrzebowania energii końcowej EK. Zapotrzebowanie energii końcowej wyraża obliczeniową ilość energii zużywaną przez budynek w skali roku. Znając cenę 1 kwh energii z danego nośnika, wskaźnik EK pozwala określić średnie roczne koszty zaopatrzenia budynku w ciepło, co dla przyszłego użytkownika jest częstokroć najważniejsze! Analizując pod takim kątem wyniki zawarte w tabeli 3 wyraźnie widać, że warianty wykorzystujące pompę ciepła cechuje najniższe zapotrzebowanie energii końcowej. Mimo, iż jest to najmniej korzystna z punktu widzenia metodologii obliczeń [4] energia elektryczna o najwyższym współczynniku nakładu energii pierwotnej w i wynoszącym aż 3,, to wysoka sprawność pomp ciepła równoważy, a nawet przewyższa wpływ tego mnożnika. Tak wysoka wartość w i dla energii elektrycznej w naszym kraju jest szeroko dyskutowana i podważana przez środowiska branżowe. Przyjmuje się, że obecnie jest to raczej współczynnik polityczny, niż solidnie wyznaczona wartość odpowiadająca rodzajowi i sprawności elementów krajowego systemu energetycznego w którym stale rośnie udział OŹE oraz przeprowadzane są modernizacje związane ze zwiększeniem efektywności produkcji energii elektrycznej. W perspektywie najbliższych lat można prognozować obniżenie wartości w i dla energii elektrycznej z krajowego systemu energetycznego nawet o 1-2%, co przełoży się jednoznacznie na wzrost atrakcyjności układów energetycznych opartych na pompach ciepła. Stały postęp i rozwój technologiczny pomp ciepła pozwala na podnoszenie efektywności pomp ciepła (COP), zarówno gruntowych jak i powietrznych, co dodatkowo podnosi ich atrakcyjność i spadek zużycia energii pierwotnej i końcowej w tego rodzaju systemach. Ministerstwo Infrastruktury i Rozwoju, mimo wcześniejszych zapowiedzi, nie wprowadziło w 214 roku oznaczania klas energetycznych budynków w oparciu o jednostkowe roczne zużycie energii pierwotnej. Wg zapowiedzi ministerstwa rozważane jest w ciągu kliku lat wprowadzenie klas energetycznych budynków w oparciu o jednostkowe roczne zużycie energii końcowej. Jest to w pełni zrozumiały wskaźnik zużycia energii, związany z kosztami eksploatacji, które ponosi użytkownik budynku. Należy podkreślić, że w wypadku wprowadzenia klasyfikacji energetycznej budynków w oparciu o jednostkowe roczne zużycie energii końcowej, najlepsze klasy energetyczne osiągną budynki zasilane układami opartymi o pompy ciepła. Zastosowanie np. kotła na biomasę, mimo najniższego zużycia energii pierwotnej, nie pozwoli na osiągnięcie wysokiej klasy energetycznej ze względu na niższą sprawność takiego źródła ciepła. Czy można jeszcze lepiej? Teoretycznie najkorzystniejszym rozwiązaniem w świetle wymagań WT jest budynek wykorzystujący systemy energetyczne o najwyższych sprawnościach, zasilane z odnawialnych źródeł energii o niskim lub zerowym współczynniku nakładu energii nieodnawialnej (w i ). Przykładem budynek z jest systemem opartym na pompie ciepła napędzanej energią elektryczną wytworzoną w ogniwach PV. Obliczeniowo taki system pozbawiony jest wady wysokiej wartości współczynnika nakładu dla energii elektrycznej wytwarzanej w konwencjonalnych układach skojarzonych (w i =3,). W wypadku zasilania ogniwami PV w systemie otwartym podłączonym dwukierunkowo do sieci współczynnik ten zmienia swoją wartość ponad czterokrotnie na w i =,7, a dla lokalnego systemu wyspowego PV z akumulacją energii może wynosić zero. Uzyskujemy więc niski wskaźnik EK wynikający z wysokiej sprawności pompy ciepła oraz niski wskaźnik EP wynikający z zastosowania ogniw PV, czyli źródła energii odnawialnej. Szeroką promocję takich rozwiązań może przynieść wdrażany obecnie program priorytetowy NFOSiGW Prosument [6].
Standard NF4 a wymogi WT Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 Analogicznej analizie poddano te same trzy budynki wykonane w standardzie NF4 według wymagań Programu Priorytetowego NFOŚiGW Efektywne wykorzystanie energii, część 3 Dopłaty do kredytów na budowę domów energooszczędnych [5]. Przegrody budowlane budynków spełniają wymagania programu (tabela 1), szczelność powietrzna n 5 = 1, 1/h, a ogrzewanie zapewnia niskoparametrowa instalacja wodna zasilana wariantowo: 1) wysokosprawnym gazowym kotłem kondensacyjnym, dwufunkcyjnym z przepływowym przygotowaniem c.w.u. lub 2) pompą ciepła typu glikol/woda z gruntowym wymiennikiem ciepła. W budynku występuje wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła o wymaganej sprawności. Nośnikiem energii jest gaz ziemny (współczynnik nakładu w i = 1,1) lub energia elektryczna (współczynnik nakładu w i = 3,) oaz pomocnicza energia elektryczna (w i = 3,). Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 4. Dla każdego budynku w standardzie NF4 wyznaczono wskaźnik jednostkowy rocznego zapotrzebowania energii użytkowej do ogrzewania i wentylacji EUco oraz jego wartość graniczną. Dodatkowo wyznaczono wskaźniki zapotrzebowania energii EU, EK i EP do ogrzewania, wentylacji i przygotowania c.w.u. według metodologii sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej [4]. Program Priorytetowy NFOŚiGW koncentruje swoje wymagania na izolacyjności cieplnej budynków, zapotrzebowaniu energii użytkowej do ogrzewania i wentylacji EU co oraz wysokiej sprawności wyposażenia instalacyjnego budynków. Wypełnienie jednostkowych minimalnych wymagań standardu NF4 (U, n 5, η i inne) nie gwarantuje osiągnięcia wymaganego EUco, co wyraźnie widać w wypadku budynku Rys. 16. Wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania na energię użytkową do celów ogrzewania i wentylacji (EUco) według standardu NF4 oraz zapotrzebowania na energię użytkową EU, końcową EK oraz nieodnawialną pierwotną EP do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej według metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynków, kwh/m 2 rok. parterowego (Bud 1). Niekorzystna architektura budynku podnosi jego energochłonność powyżej wymaganego EUco = 4 kwh/m 2 rok, niezależnie od zastosowanego źródła ciepła. Budynki piętrowy i w zabudowie szeregowej, o identycznych parametrach i wyposażeniu, spełniają wymagania standardu NF4 co zaznaczono w tabeli 4 kolorem zielonym. Obliczone dla budynków NF4 wskaźniki EU, EK i EP niewymagane w programie NFOŚiGW służą do porównania wyników osiągniętych w standardzie NF z wymaganiami WT (tabela 5). W tabeli kolorem zielonym zaznaczono, które wymagania EP max według WT spełniają budynki w standardzie NF4. Kolorem żółtym zaznaczono, te bliskie spełnienia. Dobra izolacyjność cieplna, wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła oraz wysoka sprawność energetyczna źródeł ciepła sprawia, że wszystkie budynki NF4 spełniają wymagania WT 28. Niekorzystne cechy architektoniczne budynku parterowego sprawiają, że nie spełnia o już podwyższonych wymagań WT 214, 217 i 221 w wypadku zasilania kotłem kondensacyjnym oraz WT 217 i 221 wypadku zasilania PC. Tabela 4. Wskaźniki rocznego jednostkowego zapotrzebowania na energię użytkową do celów ogrzewania i wentylacji (EUco) według standardu NF4 oraz zapotrzebowania na energię użytkową EU, końcową EK oraz nieodnawialną pierwotną EP do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej według metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynków, kwh/m 2 rok. Rodzaj budynku Standard NF4 Charakterystyka energetyczna graniczne EUco obliczeniowe EUco EU EK EP Kocioł kondensacyjny, η = 1,2 Bud 1 parterowy 4 62/4* 99 11 136 Bud 2 piętrowy 4 25 6 71 92 Bud 3 szereg 4 18 53 64 84 Pompa ciepła g/w, η = 3,5 Bud 1 parterowy 4 62/4* 99 38 113 Bud 2 piętrowy 4 25 6 26 78 Bud 3 szereg 4 18 53 24 71 * Wskaźnik EUco = 62 kwh/m 2 rok osiągnięto po spełnieniu jednostkowych minimalnych wymagań Programu i jest on niewystarczający. Program Priorytetowy wymaga aby wskaźnik EUco 4 kwh/m 2 rok i taką wartość można osiągnąć zwiększając izolacyjność obudowy cieplnej budynku ponad minimalne wymagania NF4. 11
Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 Tabela 5. Porównanie wskaźników rocznego jednostkowego zapotrzebowania na energię użytkową EU, końcową EK oraz nieodnawialną pierwotną EP do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej budynków NF4 z wymaganiami WT 28, 214, 217 i 221, kwh/m 2 rok. Rodzaj budynku Charakterystyka energetyczna EP max według WT EU EK EP 28 214 217 221 Kocioł kondensacyjny, η = 1,2 Bud 1 parterowy 99 11 136 148 12 9 7 Bud 2 piętrowy 6 71 92 117 12 9 7 Bud 3 szereg 53 64 84 16 12 9 7 Pompa ciepła g/w, η = 3,5 Bud 1 parterowy 99 38 113 148 12 9 7 Bud 2 piętrowy 6 26 78 117 12 9 7 Bud 3 szereg 53 24 71 16 12 9 7 12 Budynki piętrowy i szeregowy spełniają wymagania WT w latach 214 i 217, a nawet 221 przy zastosowaniu PC. W wypadku zasilania kotłem kondensacyjnym żaden z budynków NF4 nie spełnia wymagań EP według WT 221. Kryterialny wskaźnik EUco nie zależy bezpośrednio od zastosowanego źródła ciepła. Mówi o energochłonności bryły budynku i systemu wentylacji. Zastosowanie kotła kondensacyjnego w budynku o zapotrzebowaniu 4 kwh/m 2 nie gwarantuje automatycznego spełnianie wymagań WT. Zastosowanie pompy ciepła zwiększa możliwość wypełniania wymagań WT (pola zielone w tabeli 5), nawet najostrzejszych w 221 roku. Należy wyraźnie podkreślić, że budynki zgłaszane do programu dopłat NF4 muszą jednocześnie spełniać wymagania odpowiednich WT. Obliczenia wykazały, że wypełnienie jednostkowych wymagań programu NF nie gwarantuje spełnienia zaostrzających się wymagań WT. Deklarowany w programie NF okres wydatkowania środków do 222 roku oznacza, że projekty domów ubiegające się o refundację muszą przekraczać wymagania NF w celu spełnienia zmieniających się wymagań WT 217 i 221. Rys. 17. Porównanie wskaźników rocznego jednostkowego zapotrzebowania na energię użytkową EU, końcową EK oraz nieodnawialną pierwotną EP do ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej budynków NF4 z wymaganiami WT 28, 214, 217 i 221, kwh/m 2 rok. Podsumowanie Przedstawiona przykładowa analiza jest poprawna dla trzech konkretnych budynków. Każdorazowo wymaga się indywidualnych obliczeń dla każdego budynku, jednak zasady i tendencje kształtowania ich energochłonności są analogiczne. Graniczne wartości EP max wyznaczone wg poprzednich WT 28 w określonych warunkach mogą osiągać wartości niższe niż wymagane w nowelizacji. Wynika to z rezygnacji uzależnienia wartości granicznych EP max od współczynnika kształtu budynku A/V e. W sprzyjających warunkach możliwe jest spełnienie znowelizowanych wymagań WT odnośnie EP przy zastosowaniu obecnie standardowych rozwiązań instalacyjnych (np. budynek 3 wg WT 214). Rachunkowo najatrakcyjniejsze są źródła energii o niskim współczynniku nakładu energii odnawialnej w i (biomasa, energia słoneczna, PV) oraz źródła energii o wysokiej sprawności wytwarzania ciepła (pompy ciepła). W obecnej metodologii obliczeń EP pierwszą grupę można uznać za uprzywilejowaną. Niedogodnością obliczeniową, utrudniającą spełnienie warunku EP max w wypadku systemów opartych o pompy ciepła jest wysoki współczynnik nakładu w i dla energii elektrycznej pochodzącej z konwencjonalnych systemów skojarzonych (w i = 3,). Wykorzystywanie zielonej energii elektrycznej, pochodzącej w całości lub częściowo z odnawialnych źródeł energii sprawi, że systemy te z łatwością będą spełniały, a nawet przewyższały wymagania EP max. Krytycznym wskaźnikiem jest również szczelność powietrzna obudowy budynków n 5. Określa on ilość powietrza infiltrującego do wnętrza budynku. W budynkach o niskim zapotrzebowaniu ciepła do ogrzewania i wentylacji każda niepożądana nieszczelność odczuwana jest wielokroć intensywniej niż w budynkach energochłonnych. Wentylacja mechaniczna z rekuperację wyraźnie obniża zapotrzebowanie energii użytkowej, a przez to końcowej i pierwotnej. W obliczu rosnących
Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 wymagań WT staje się koniecznością w nowoprojektowanych budynkach, choć nie może być traktowana jak obligatoryjne i jedyne lekarstwo na zbyt wysokie zapotrzebowanie energii. Bilans energetyczny budynków o niskim zapotrzebowaniu energii kształtowany jest przez wszystkie czynniki związane z lokalizację, architekturą, wyposażeniem instalacyjnym i eksploatacją budynku. Każdy z tych elementów wnosi do budynku określone właściwości i zużycie energii oraz wpływa w określony sposób na pozostałe elementy. Oznacza to konieczność ścisłej współpracy architekta, konstruktora, projektanta instalacji wewnętrznych, wykonawcy i inwestora w celu zapewnienia zakładanych właściwości i jakości budynku. Projektowanie zintegrowane zapewnia takie rozwiązania. Również programy priorytetowe NFOSiGW z jego wymaganiami i procedurami należy traktować jako próbę wprowadzenia dobrych praktyk projektowych i wykonawczych w tym zakresie. W wypadku każdego budynku wymagana jest indywidualna analiza energochłonności i kosztów eksploatacji wynikających z proponowanych rozwiązań jeszcze na etapie projektu. Wykorzystując elementy audytorskie warto sprawdzić, czy opłaca się jedynie wypełnić minimalne wymagania WT czy NF. Nowelizacje wymagań WT w 217 i 221 roku powinny skłonić branżę do bardziej kompleksowego podejścia do technologii grzewczej w Polsce. Przejawem tego powinny być zmiany przejawiające się głownie poprzez: Zmianę w podejściu do budynku w procesie projektowania. Każdy budynek musi być rozpatrywany energetycznie jako całość: obudowa cieplna oraz system grzewczy, wentylacyjny i przygotowania c.w.u. Budynki, ich komponenty oraz systemy energetyczne powinny być projektowane na podstawie wariantowych analiz energetycznych, a nie jedynie w celu spełniania jednostkowych wymagań minimalnych obecnego prawa. Świadome stosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła w nowych budynkach jako skutecznego, a nie jedynie obliczeniowego czynnika obniżającego zapotrzebowanie. Może się okazać, że będzie to jedyne rozwiązanie pozwalające na spełnienie rosnących wymagań WT odnośnie energooszczędności budynków. Działania uniemożliwiające stosowanie kotłów węglowych w nowych budynkach poprzez zmiany prawne, wymagań WT i metodologii obliczeń EP. W świetle nowelizowanych wymagań WT w budynkach spełniających jedynie minimalne wymagania WT odnośnie izolacyjności cieplnej zastosowanie kotów kondensacyjnych nie gwarantuje spełnienia wymagań EP. Oznacza to potrzebę wspierania przez producentów urządzeń grzewczych budynków o małym zapotrzebowaniu energii (np. NF 4). Wzrost atrakcyjności stosowania pomp ciepła po wprowadzeniu klas energetycznych budynków w oparciu o zapotrzebowanie energii końcowej. Wzrost i urealnienie znaczenia świadectw i klas energetycznych budynków w rynku obrotu nieruchomościami. Literatura [1] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 213 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 213, poz. 926). [2] Jadwiszczak P., Nowe wymagania, jakim powinny odpowiadać budynki oszczędność energii i izolacyjność cieplna, Rynek Instalacyjny nr 1 2/214. [3] Jadwiszczak P., Nowe wymagania, jakim powinny odpowiadać budynki wentylacja i klimatyzacja, Rynek Instalacyjny nr 3/214. [4] Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 6 listopada 28 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielna całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej. [5] Program Priorytetowy Efektywne wykorzystanie energii, część 3: Dopłaty do kredytów na budowę domów energooszczędnych, www.nfosigw.gov.pl [6] Program Wspieranie rozproszonych, odnawialnych źródeł energii, część 4: Prosument - linia dofinansowania z przeznaczeniem na zakup i montaż mikroinstalacji odnawialnych źródeł energii, www.nfosigw.gov.pl 13
Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 214, 217 i 221 r. oraz programu NF4 NOTES 14
15
Skład: Geosystem, Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka