Ocena systemu ogrzewania budynku

dr inŜ. Paweł Kędzierski
Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa Politechniki Warszawskiej
Narodowa Agencja Poszanowania Energii S.A.
Ocena systemu ogrzewania budynku
System ogrzewania budynku moŜna oceniać wg róŜnych kryteriów, takich jak: poziom komfortu cieplnego w ogrzewanych pomieszczeniach, koszt inwestycyjny i eksploatacyjny, estetyka i łatwość
obsługi, efektywność energetyczna, czy wreszcie oddziaływanie zastosowanego źródła energii na
środowisko naturalne. Nagromadzenie informacji komercyjnych, szum kampanii reklamowych, twarde
reguły gospodarki rynkowej powodują, iŜ inwestorom trudno jest trzeźwo ocenić wskazany system,
często odnoszą oni wraŜenie Ŝe nie ma dobrego systemu, lub Ŝe kaŜdy jest najlepszy. Pewną systematykę m.in. w zakresie oceny systemu ogrzewania ma wprowadzić Dyrektywa 2002/91/EC Parlamentu Europejskiego i długo wyczekiwane „Rozporządzenie MI […] w sprawie metodologii obliczania
charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego […] oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej” z dn. 6.11.2008 r.
Świadectwo charakterystyki energetycznej budynku, wykonywane na podstawie ww. Rozporządzenia, w odniesieniu do systemu ogrzewania powinno m.in. zawierać: charakterystykę (identyfikację) systemu ogrzewania budynku, określenie średniej sezonowej sprawności całkowitej systemu
ogrzewania budynku ocenianego (ηH,tot) oraz rocznego zapotrzebowania na energię końcową QK,H
dla ogrzewania i wentylacji. Zakłada się w tym miejscu normatywne, czyli zgodne z „Rozporządzeniem
MI […] w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie”
(WT2008), warunki uŜytkowania budynku czy lokalu mieszkalnego.
Najistotniejszym elementem oceny systemu ogrzewania jest określenie jego sprawności eksploatacyjnej, która jest miarą efektywności energetycznej i pośrednio uwzględnia większość wymienionych na wstępie kryteriów. Sprawność ta, inaczej zwana średnią sezonową sprawnością systemu,
definiowana jest jako:
ηH =
Qr
Qd
gdzie:
Qd – energia dostarczona do systemu w ciągu sezonu ogrzewczego,
Qr – energia jaka byłaby rozpraszana z pomieszczeń budynku w ciągu sezonu ogrzewczego
przy załoŜeniu utrzymania w nich określonej temperatury wewnętrznej.
Istnieją dwie metody określenia sprawności sezonowej: bezpośrednia i pośrednia. Metoda
bezpośrednia polega na bezpośrednim wyznaczeniu wartości Qr i Qd. Wielkość Qr moŜe być zdefiniowana jako sezonowe zapotrzebowanie ciepła do ogrzewania, i określona przy uŜyciu rozpowszechnionych metod obliczeniowych: dla średnich (wieloletnich) miesięcznych wartości temperatury zewnętrznej i dla średniej w ciągu sezonu ogrzewczego temperatury wewnątrz pomieszczeń. NaleŜy tu
załoŜyć, Ŝe energia Qd dostarczona do systemu ogrzewania jest znana na podstawie pomiarów zuŜycia paliwa lub ciepła. Wydaje się, Ŝe ta metoda wobec braku danych statystycznych, nie moŜe zostać
zastosowana w Polsce, przynajmniej w początkowym okresie obowiązywania Dyrektywy.
Metoda pośrednia wyznaczania sprawności systemu ogrzewania polega na wyznaczeniu
sprawności następujących procesów: przemiany energii chemicznej paliwa w ciepło, akumulacji ciepła
w elementach pojemnościowych, transportu (dystrybucji) nośnika ciepła w obrębie budynku – ze źródła do odbiorników ciepła (miejsca emisji), przekazywania (emisji) ciepła od odbiorników ciepła (np.
grzejników) do powietrza wewnętrznego oraz dostosowania ilości ciepła dostarczanego do pomieszczenia do jego rzeczywistych, chwilowych potrzeb cieplnych, uwzględniających wewnętrzne i zewnętrzne zyski ciepła. Sprawność systemu ogrzewania określa zaleŜność:
1
ηH ,tot = ηH ,g ⋅ ηH ,s ⋅ η H ,d ⋅ ηH ,e
gdzie:
ηH,g – sprawność wytwarzania ciepła, zaleŜna od konstrukcji urządzenia produkującego ciepło, rodzaju paliwa bądź źródła energii,
ηH,s – sprawność akumulacji ciepła w elementach pojemnościowych systemu grzewczego
budynku w obrębie osłony bilansowej lub poza nią, zaleŜna od parametrów nośnika
ciepła i stopnia izolacji cieplnej zbiornika buforowego,
ηH,d – sprawność dystrybucji ciepła, zaleŜna od odległości na jaką przesyłane jest ciepło i jakości izolacji cieplnej instalacji (głównie sieci przewodów),
ηH,e – sprawność regulacji i wykorzystania ciepła w budynku, zaleŜna od rodzaju odbiorników, nośnika ciepła i zastosowanych urządzeń regulacyjnych (regulacja centralna,
strefowa, miejscowa, adaptacyjna).
Wartości składowych sprawności całkowitej naleŜy przyjmować biorąc pod uwagę obowiązujące
przepisy, z dokumentacji technicznej budynku, danych katalogowych urządzeń, wykorzystując wiedzę
techniczną i wizję lokalną obiektu lub z tabel zawartych w załącznikach do powołanego Rozporządzenia. PoniŜej przytoczono najwaŜniejsze tabele z zatwierdzonej wersji Rozporządzenia z zastrzeŜeniem, iŜ niektóre wartości w przyszłości mogą i powinny ulec zmianie.
Tabela 1. Wartości sprawności wytwarzania ciepła w źródłach (Tabela 5 w Rozporządzeniu)
Lp.
Rodzaj źródła ciepła
ηH,g
1
2
3
4
Kotły węglowe wyprodukowane po 2000 r.
Kotły węglowe wyprodukowane w latach 1980-2000
Kotły węglowe wyprodukowane przed 1980 r.
Kotły na biomasę (słoma) wrzutowe z obsługą ręczną o mocy do
100 kW
Kotły na biomasę (drewno: polana, brykiety, palety, zrębki) wrzutowe z obsługą ręczną o mocy do 100 kW
Kotły na biomasę (słoma) wrzutowe z obsługą ręczną o mocy powyŜej 100 kW
Kotły na biomasę (słoma) automatyczne o mocy powyŜej 100 kW
do 600 kW
Kotły na biomasę (drewno: polana, brykiety, palety, zrębki) automatyczne o mocy powyŜej 100 kW do 600 kW
Kotły na biomasę (słoma, drewno) automatyczne z mechanicznym
podawaniem paliwa o mocy powyŜej 500 kW
Podgrzewacze elektryczne - przepływowe
Podgrzewacze elektrotermiczne
Elektryczne grzejniki bezpośrednie: konwektorowe, płaszczyznowe,
promiennikowe i podłogowe kablowe
Ogrzewanie podłogowe elektryczno-wodne
Piece kaflowe
Piece olejowe pomieszczeniowe
Piece gazowe pomieszczeniowe
Kotły na paliwo gazowe lub płynne z otwartą komorą spalania (palnikami atmosferycznymi) i dwustawną regulacją procesu spalania
Kotły niskotemperaturowe na paliwo gazowe lub płynne z zamkniętą komorą spalania i palnikiem modulowanym
- do 50 kW
- 50-120 kW
- 120-1200 kW
0,82
0,65 - 0,75
0,50 - 0,65
0,63
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
2
0,72
0,70
0,75
0,85
0,85
0,94
1,00
0,99
0,95
0,60-0,70
0,84
0,75
0,86
0,87-0,91
0,91-0,97
0,94-0,98
19
20
21
22
23
24
1)
Kotły gazowe kondensacyjne
o
- do 50 kW (70/55 C)
o
- do 50 kW (55/45 C)
o
- 50-120 kW (70/55 C)
o
- 50-120 kW (55/45 C)
o
- 120-1200 kW (70/55 C)
o
- 120-1200 kW (55/45 C)
Pompy ciepła woda/woda w nowych/istniejących budynkach
Pompy ciepła glikol/woda w nowych/istniejących budynkach
Pompy ciepła powietrze/woda w nowych/istniejących budynkach
Węzeł cieplny kompaktowy z obudową
- do 100 kW
- powyŜej 100 kW
Węzeł cieplny kompaktowy bez obudowy
- do 100 kW
- 100-300 kW
- powyŜej 300 kW
0,91-0,97
0,94-1,00
0,91-0,98
0,95-1,01
0,92-0,99
0,96-1,02
2)
3,8/ 3,5
3,5/ 3,3
2,7/ 2,5
0,98
0,99
0,91
0,93
0,95
Tabela 2. Wartości sprawności akumulacji ciepła (Tabela 4.2 w Rozporządzeniu)
Lp.
Parametry zasobnika buforowego i jego usytuowanie
1
Bufor w systemie grzewczym o parametrach 70/55 C wewnątrz
osłony termicznej budynku
o
Bufor w systemie grzewczym o parametrach 70/55 C na zewnątrz
osłony termicznej budynku
o
Bufor w systemie grzewczym o parametrach 55/45 C wewnątrz
osłony termicznej budynku
o
Bufor w systemie grzewczym o parametrach 55/45 C na zewnątrz
osłony termicznej budynku
Brak zasobnika buforowego
2
3.
4.
5.
o
ηH,s
0,93-0,97
0,91-0,95
0,95-0,99
0,93-0,97
1,00
Tabela 3. Wartości sprawności dystrybucji ciepła (Tabela 4.1 w Rozporządzeniu)
Lp.
Rodzaj instalacji ogrzewczej
ηH,d
1
Źródło ciepła w pomieszczeniu (ogrzewanie elektryczne, piec kaflowy)
2
3
Ogrzewanie mieszkaniowe (kocioł gazowy lub miniwęzeł)
1,0
1)
Ogrzewanie centralne wodne z lokalnego źródła ciepła usytuowanego w 0,96-0,98
ogrzewanym budynku, z zaizolowanymi przewodami, armaturą i urządzeniami, które są zainstalowane w pomieszczeniach ogrzewanych
Ogrzewanie centralne wodne z lokalnego źródła ciepła usytuowanego w 0,92-0,95
ogrzewanym budynku, z zaizolowanymi przewodami, armaturą i urządzeniami, które są zainstalowane w pomieszczeniach nieogrzewanych
Ogrzewanie centralne wodne z lokalnego źródła ciepła usytuowanego w 0,87-0,90
ogrzewanym budynku, bez izolacji cieplnej na przewodach, armaturze i
urządzeniach, które są zainstalowane w pomieszczeniach nieogrzewanych
Ogrzewanie powietrzne
0,95
4
5
6
3
1,0
Tabela 4. Wartości sprawności regulacji i wykorzystania ciepła (Tabela 2 w Rozporządzeniu)
Lp.
Rodzaj instalacji
ηH,e
1
Elektryczne grzejniki bezpośrednie: konwektorowe, płaszczyznowe i promiennikowe
Podłogowe: kablowe, elektryczno-wodne
Elektryczne grzejniki akumulacyjne: konwektorowe i podłogowe kablowe
Elektryczne ogrzewanie akumulacyjne bezpośrednie
Ogrzewanie wodne z grzejnikami członowymi lub płytowymi w przypadku
regulacji centralnej, bez regulacji miejscowej
Ogrzewanie wodne z grzejnikami członowymi lub płytowymi w przypadku
regulacji miejscowej
Ogrzewanie wodne z grzejnikami członowymi lub płytowymi w przypadku
regulacji centralnej adaptacyjnej i miejscowej
Ogrzewanie wodne z grzejnikami członowymi lub płytowymi w przypadku
regulacji centralnej i miejscowej (zakres P – 1K)
Centralne ogrzewanie z grzejnikami członowymi lub płytowymi w przypadku
regulacji centralnej i miejscowej (zakres P – 2K)
Ogrzewanie podłogowe w przypadku regulacji centralnej, bez miejscowej
Ogrzewanie podłogowe lub ścienne w przypadku regulacji centralnej i miejscowej
Ogrzewanie miejscowe przy braku regulacji automatycznej w pomieszczeniu
0,98
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0,95
0,90
0,91-0,97
0,75-0,85
0,86-0,91
0,98-0,99
0,97
0,93
0,94-0,96
0,97-0,98
0,80-0,85
NaleŜy wspomnieć, iŜ w Rozporządzeniu podano równieŜ sposób dokładnego określania
sprawności akumulacji i dystrybucji (Tabele 3.1 i 3.2 patrz Rozporządzenie), jednak nie naleŜy przypuszczać, Ŝe będą one często stosowane. Rozporządzenie dopuszcza moŜliwość przyjmowania wartości zryczałtowanych (średnich) poszczególnych sprawności zaprezentowanych w tabelach powyŜej.
Systemy o większej sprawności zuŜywają mniej energii, zapewniają lepsze warunki komfortu
cieplnego, są wygodniejsze w obsłudze i mniej uciąŜliwe dla środowiska. Analiza zaproponowanych w
Rozporządzeniu wartości współczynników sprawności pozwala zauwaŜyć, iŜ spośród dostępnych
źródeł ciepła preferowane są systemy ogrzewania elektrycznego, systemy scentralizowane (miejskie
cieci ciepłownicze) oraz pompy ciepła. Najmniejszymi stratami dystrybucji charakteryzują się instalacje
centralne z zaizolowaną siecią przewodów, a brakiem strat przesyłu tzw. ogrzewania miejscowe, bądź
instalacje mieszkaniowe umoŜliwiające precyzyjny pomiar zuŜywanego przed dany lokal ciepła. Nie
uwzględniono natomiast stopnia osłonięcia grzejnika, jego usytuowania w pomieszczeniu, ani wpływu
zastosowania ekranów zagrzejnikowych (refleksyjnych lub absorpcyjnych). Z kolei najlepsza jakość
regulacji dostawy ciepła ma miejsce w instalacjach centralnych z grzejnikami członowymi lub płytowymi wyposaŜonych w układy regulacji centralnej pogodowej (jakościowej nadąŜnej) i miejscowej
(ilościowej zaworami termostatycznymi) oraz adaptacyjnej, którym niewiele ustępują instalacje z elektrycznymi grzejnikami bezpośrednimi.
Proponowane wartości mają swoje (lepiej lub gorzej opisane) uzasadnienie teoretyczne związane z termodynamiką, wymianą ciepła, mechaniką płynów czy fizyką budowli. Jak wiadomo np.
sprawność regulacji uwarunkowana jest poziomem strat ciepła przy dostarczaniu do pomieszczeń
nadmiernych ilości ciepła w stosunku do ilości określonej przez aktualne zapotrzebowanie na ciepło
budynku. Definiowana jest jako iloraz zapotrzebowania na ciepło przy uŜyciu danego systemu regulacji, do zapotrzebowania ciepła przy uŜyciu regulacji doskonałej, tj. takiej, która natychmiast dostosowuje system do temperatury zewnętrznej i do poziomu zysków wewnętrznych. Jej wartość określa się
z wzoru:
ηr = 1 − (1 − ηco ) ⋅ 2 ⋅ GLR
gdzie:
ηco – współczynnik regulacji zaleŜny od zastosowanych urządzeń regulacyjnych i pojemności
wodnej grzejników (przyjmuje się wartości od 0,75 do 0,99),
GLR – stosunek sumy zysków ciepła do sumy strat ciepła budynku.
Na potrzeby oceny energetycznej budynków, jak i audytingu energetycznego, do Rozporządzenia wprowadzono konkretne wartości współczynników sprawności (często zastrzegając pewien moŜliwy przedział zmienności do decyzji eksperta oceniającego) dla większości spotykanych systemów
ogrzewania i rozwiązań technicznych. Wartości te określone zostały przez eksperckie grupy robocze
na podstawie dostępnych wyników badań i analiz miarodajnej grupy budynków, obliczeń analitycznych
4
i danych doświadczalnych, jak i przy wykorzystaniu wiedzy zgromadzonej przez ostatnią dekadę „termomodernizacji praktycznej”. Takie ujęcie z jednej strony znacznie upraszcza metodykę określania
sprawności sytemu ogrzewania, z drugiej jednak pozostawia pewien margines na subiektywną ocenę
eksperta (do 15% sprawności wytwarzania w przypadku źródeł ciepła starego typu i kilka % w przypadku pozostałych sprawności dla rozwiązań najczęściej stosowanych w budownictwie).
Zadaniem eksperta, najczęściej nie mającego obszernej wiedzy z dziedziny ogrzewnictwa, jest
zatem zdiagnozowanie (rozpoznanie) systemu ogrzewania w budynku ocenianym i przypisanie mu
odpowiednich wartości współczynników sprawności.
NaleŜy pamiętać, iŜ szacowane w ten sposób sprawności wpływają na niepewność określenia
końcowego, rocznego zuŜycia energii do ogrzewania i wentylacji, określanego z zaleŜności:
Q Hi = u i ⋅
Q H ,nd
ηHi
gdzie:
ui
– udział i-tego nośnika energii w rocznym zuŜyciu energii do ogrzewania,
QH,nd – roczne zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i wentylacji budynku lub lokalu
mieszkalnego, obliczane bez uwzględnienia instalacyjnych strat ciepła, dla systemu
ogrzewania związanego, kWh/a,
ηHi – sprawność całkowita systemu ogrzewania zasilanego z i-tego nośnika energii.
Analizę wraŜliwości obliczanego rocznego zuŜycia energii na szacowane wartości współczynników sprawności przedstawia rysunek 1.
Niepewności określenia względniej sprawności całkowitej, %
Niepewność rocznego zuŜycia energii,
%
35
5
10
15
20
30
25
20
15
10
5
0
50
60
70
80
90
95
99
Sprawność systemu ogrzewania, %
Rys.1 Wartość niepewności szacowania sezonowego zuŜycia energii dla wybranej sprawności całkowitej w zaleŜności od oczekiwanego błędu względnego ∆η szacowania sprawności.
Jak wynika z rysunku 1 zawyŜenie sprawności całkowitej systemu o 5% przy załoŜeniu, Ŝe wartość oczekiwana sprawności wynosi 80% powoduje niepewność szacowania zuŜycia energii na poziomie 6%. Wartości sprawności podane w Rozporządzeniu (poza przypadkiem sprawności wytwarzania starych kotłów węglowych i pieców kaflowych) charakteryzuje niewielki przedział zmienności,
tym samym wynik obliczeń rocznego zuŜycia energii podawany będzie z niepewnością dopuszczalną
dla obliczeń inŜynierskich.
Osobnym zagadnieniem, nie poruszanym na razie w Rozporządzeniu, jest sposób eksploatacji budynku i instalacji ogrzewania. Jak wynika z przeprowadzonych analiz, nawet nowoczesne systemy wyposaŜone w urządzenia renomowanych firm, nie gwarantują niskich kosztów ogrzewania i wysokiej efektywności energetycznej. Bardzo istotne jest dostosowanie mocy źródła ciepła do rzeczywi-
5
stych potrzeb cieplnych obiektu i staranna eksploatacja systemu ogrzewania głównie w warunkach
zmiennego w czasie obciąŜenia cieplnego, znacznie niŜszego od obciąŜenia obliczeniowego.
Ekspert oceniający system ogrzewania budynku nie powinien zatem ograniczać się do uzyskania podstawowych informacji dotyczących typu, rodzaju i parametrach pracy instalacji, zastosowanego systemu zabezpieczającego i odpowietrzającego, rodzaju grzejników i armatury, sposobie regulacji hydraulicznej czy wreszcie izolacji termicznej przewodów. Powinien koniecznie dokonać diagnozy
stanu technicznego poszczególnych elementów instalacji, ale równieŜ zasięgnąć opinii uŜytkowników
odnośnie uzyskiwanych w pomieszczeniach warunków komfortu cieplnego. Powinien ocenić jakość
zastosowanej metody określania zuŜycia energii przez poszczególnych odbiorców, sposób rozliczania
kosztów ogrzewania, lecz takŜe sposób eksploatacji instalacji i obiektu.
6