Systemy grzewcze w domach energooszczędnych

źródło: chronmyKlimat.pl, Energoszczędne 4 kąty

Istotą budownictwa energooszczędnego jest ograniczenie kosztów eksploatacyjnych związanych z ogrzewaniem budynku. Wysoka izolacyjność ścian (tzw. przegród) zewnętrznych oraz szczelność okien i drzwi wpływają na niskie zapotrzebowanie na ciepło, co w praktyce oznacza znaczne zmniejszenie kosztów związanych z ogrzewaniem budynku. Na wybór odpowiedniego źródła ciepła (w tego typu budynkach) wpływa w głównej mierze aspekt ekonomiczny i należy przy tym pamiętać, że nie ma rozwiązania idealnego, odpowiedniego dla wszystkich. Poniżej prezentujemy kilka systemów grzewczych stosowanych w budownictwie energooszczędnym.

Pompa ciepła

Jednym z niekonwencjonalnych źródeł ciepła w budynku energooszczędnym jest pompa ciepła. Jest to instalacja przekształcająca energię cieplną zgromadzoną w naturalnych źródłach niskotemperaturowych takich jak woda, powietrze czy ziemia w ciepło potrzebne do ogrzewania domu bądź przygotowania ciepłej wody użytkowej. Zasada działania pompy ciepła polega na pobraniu energii cieplnej ze źródła o niższej temperaturze i przekazaniu jej do pomieszczenia wymagającego ogrzania (jest to mechanizm bardzo podobny do domowej lodówki, która, aby chłodzić wnętrze musi ogrzać pomieszczenie). Z 1 kWh energii elektrycznej zużywanej przez takie urządzenie do pozyskania energii cieplnej, uzyskujemy nawet 5 kWh. Do zasilania pompy ciepła wystarczy jedynie energia elektryczna. Dzięki temu jest to rozwiązanie idealne dla osób, które chcą postawić dom na działce niemającej podłączenia do sieci gazowej ani do miejskiej sieci ciepłowniczej. Poza walorami ekologicznymi, jest również bardzo bezpieczna dla użytkowników. Ogrzewanie pomieszczeń za jej pomocą nie grozi wybuchem czy ulatnianiem się czadu.

Rys. 1. Schemat działania pompy ciepła, opis procesów : 1. Pobieranie ciepła z gruntu, 2. Przekazanie ciepła z gruntu do czynnika roboczego, 3. Przekazanie ciepła do instalacji c.o., 4. Powrót czynnika roboczego. (Źródło: Portal firmy EkoCiepło Group, http://www.ekocieplo.com.pl/index.php?page=oferta&article=pompyciepla).

Jednym z elementów składowych systemu grzewczego z pompą ciepła jest wymiennik ciepła, którego zadaniem jest pobieranie ciepła z naturalnego źródła (woda, powietrze, ziemia). Poziomy wymiennik ciepła wykorzystujący grunt jako źródło, z którego pobierane jest ciepło, zajmuje dość dużą powierzchnię, co stanowi problem w przypadku małych działek. Rozwiązaniem w takiej sytuacji jest zastosowanie pionowego wymiennika, co wiąże się jednak ze znacznie większymi kosztami.

Rys. 2. Poziomy wymiennik ciepła (po lewej stronie), pionowy wymiennik ciepła (po prawej stronie). (Źródło: Portal ekspertbudowlany.pl, http://www.ekspertbudowlany.pl/artykul/id371,pompy-ciepla)

Współczesne pompy ciepła rozmiarami przypominają domową lodówkę, dlatego nie wymagają one osobnego pomieszczenia. Fakt ten w połączeniu z często bardzo ciekawym designem oraz niewielkim hałasem związanym z pracą urządzenia sprawia, że bez problemu można zainstalować je nawet w kuchni.

Na rynku istnieje wielu producentów pomp ciepła, również z Polski. Jakość tych krajowych nie odbiega znacząco od zagranicznych, a ich cena, w zależności od rodzaju, może być nawet o połowę niższa. Decydując się na pompę ciepła, powinniśmy wybierać tych producentów, którzy oferują również jej montaż (wraz z całą instalacją). Może być to nieco droższe niż montaż przez zewnętrzną ekipę, ale będziemy mieli pewność, że jest ona zainstalowana poprawnie i nie będziemy mieli w przyszłości problemów z jej eksploatacją.

Montaż tego typu instalacji nie wymaga zmiany całego systemu centralnego ogrzewania. W zasadzie prace wewnątrz domu polegają na wymianie np. kotła gazowego na pompę. Dlatego też jest to dobre rozwiązanie nawet w przypadku budynków istniejących.

Kotły, kominki i piece

Podstawowym konwencjonalnym źródłem ciepła w domach (niepodłączonych do miejskiej sieci ciepłowniczej) jest kocioł. Zasada działania kotła jest bardzo prosta. Spalane paliwo (gaz, węgiel, olej opalowy itp.) wytwarza ciepło ogrzewające nośnik (np. wodę), który dalej rozprowadzany jest za pomocą instalacji po całym domu. Istnieje wiele rodzajów kotłów różniących się rodzajem paliwa, sprawnością wytwarzania ciepła itp. Ciekawym i nowoczesnym rozwiązaniem jest kocioł kondensacyjny, który poza wykorzystaniem ciepła powstającego bezpośrednio z reakcji chemicznej spalania gazu, odzyskuje dodatkowo ciepło z powstałej pary wodnej oraz dodatkowo ciepło skraplania (przemiany fazowej) tej pary, które w przypadku kotłów tradycyjnych, usuwane są za pomocą komina na zewnątrz (to ciepło jest tracone).

Kolejnym z rozwiązań systemu grzewczego w domach jednorodzinnych jest ogrzewanie pomieszczeń za pomocą kominków. Tradycyjne systemy wykorzystujące wkłady kominkowe jako źródło ciepła nazywamy systemami Dystrybucji Gorącego Powietrza (DGP). Podczas spalania paliwa w kominku powietrze otaczające komorę spalania jest ogrzewane i rozprowadzane po pomieszczeniach. Jeżeli w ten sposób ogrzewamy niewielką liczbę pomieszczeń sąsiadujących z tym, w którym znajduje się kominek, rozprowadzanie ciepłego powietrza nie wymaga żadnych urządzeń dodatkowych (odbywa się to z wykorzystaniem naturalnych sił powodujących ruch gorącego powietrza, ruch ten może odbywać się zarówno w pionie, jak i poziomie). System taki można jednak rozbudować, stosując elektryczne turbiny o niskim poziomie hałasu, które rozprowadzają gorące powietrze na dalsze odległości.

Wybierając kominek jako podstawowy system grzewczy, należy sprawdzić przed zakupem kilka podstawowych cech, które powinny być podane przez producenta są to:

  • sprawność urządzenia — określa ile energii ze spalania paliwa przetwarzanej jest na ciepło użytkowe;
  • moc nominalna — musi być odpowiednio dopasowana do zapotrzebowania na energię przez budynek (należy pamiętać, aby pod uwagę brać moc nominalną, a nie maksymalną, ponieważ urządzenie na mocy maksymalnej może procować tylko przez krótki czas);
  • średnie zużycie drewna;
  • czas pracy urządzenia bez uzupełnienia opału — określa ile godzin po pełnym załadunku urządzenie będzie wytwarzać ciepło;
  • średnia temperatura spalin — nie powinna przekraczać 400oC (względy bezpieczeństwa i pożarowe).

Istnieją również instalacje grzewcze łączone, to znaczy, że dom zasilany jest w ciepło z kominków (tzw. kominki z płaszczem wodnym) oraz dodatkowo (lub alternatywnie) z kotłów. Układ w takich przypadkach jest bardziej skomplikowany i wymaga sporządzenia dokładnego projektu przez doświadczonego instalatora. Jest to jednak system godny uwagi, zwłaszcza w naszym klimacie, w którym są długie okresy przejściowe. W przypadku takiej instalacji możemy łatwiej regulować ilość dostarczanej mocy grzewczej.

Na rynku dostępna jest również cała gama pieców grzewczych mogących zastępować kominki, które stosowane są w budynkach miejscowo, w pomieszczeniach, z których istnieje możliwość odprowadzenia spalin. Mają bardzo różnorodne formy i styl oraz standard wykończenia, a część z nich wyposażona jest w płytę umożliwiającą podgrzewanie wody lub potraw.

Decydując się na jakikolwiek system grzewczy wykorzystujący do wytworzenia ciepła spalanie paliwa, należy pamiętać, że nie możemy zasilać go innym paliwem niż jest to przewidziane, np. gdy jest to kominek, nie możemy spalać w nim węgla. Nieodpowiednie użytkowanie może powodować zniszczenie instalacji.

Koszty

Ogrzewanie pochłania największą część energii zużywanej przez budynek (aż około 70 %1). Nic zatem dziwnego, że montaż ekonomicznego (zarówno pod względem eksploatacji jak i kosztów inwestycyjnych) systemu grzewczego pozwoli uzyskać największe oszczędności w domowym budżecie.

Warto pamiętać, że wybór systemu ogrzewania zależy od wielu indywidualnych czynników. Z tego względu, w przypadku budynków energooszczędnych o bardzo wysokim standardzie energetycznym opłacalne może okazać się zainstalowanie tańszego w zakupie systemu ogrzewania elektrycznego. Powodem tego jest niewielkie zapotrzebowanie takich budynków na energię, dzięki dobrze zaizolowanym ścianom, a zatem oznacza to niskie koszty energii (pomimo relatywnie wysokiej ceny jednostkowej). Wybierając tego typu system, należy jednak przeprowadzić dokładny bilans, w którym należałoby uwzględnić takie elementy jak np. wzrost cen poszczególnych nośników energii. Bilans taki powinno się rozpocząć od określenia zapotrzebowania budynku na energię, co wymaga sporządzenia świadectwa charakterystyki energetycznej. W sporządzeniu takiego świadectwa pomogą nam firmy zajmujące się tego typu usługami. Należy jednak pamiętać, że, aby takie świadectwo było rzetelne, powinno być sporządzone przez osobę z doświadczeniem w branży budowlanej.

W warunkach polskich, biorąc pod uwagę sumaryczne koszty (zakupu oraz eksploatacji), w większości przypadków najbardziej opłacalne okazuje się zastosowanie kondensacyjnego kotła gazowego (o ile na działce znajduje się dostęp do sieci gazowej). Alternatywą dla tego typu ogrzewania jest pompa ciepła współpracująca z niskotemperaturowym ogrzewaniem podłogowym. Zakup i montaż pompy ciepła to wydatek rzędu 20 tys. (w przypadku pompy powietrznej) i 40 tys. dla pompy gruntowej. Koszt ten jest kilkakrotnie wyższy niż w przypadku standardowych rozwiązań (tj. kotłów gazowych, węglowych itp.). Wysoki koszt zakupu rekompensowany jest przez niski koszt eksploatacji. 1 kWh energii elektrycznej zużytej przez pompę daje nam nawet 5 kWh energii cieplnej2, wartość ta deklarowana jest przez producenta na podstawie badań laboratoryjnych i umieszczona w specyfikacji technicznej dla danego urządzenia.

O tym czy system ogrzewania jest ekonomiczny decyduje wiele czynników. Większość ludzi wybiera te systemy ogrzewania, które zasilane są tańszym paliwem (np. węgiel kamienny). Często nie jest to jednak najlepszy wybór, ponieważ systemy te są dużo bardziej szkodliwe dla środowiska, a za ochronę zdrowia płacimy my wszyscy. Ponadto rodzaj paliwa jest tylko jednym z czynników decydujących o ekonomiczności danego źródła energii, należy pamiętać także o sprawności całego systemu. Dopiero przeanalizowanie wszystkich czynników pozwala na wybór najbardziej optymalnego rozwiązania pod względem ekonomicznym.

Dla przykładu można posłużyć się prostym wyliczeniem. Załóżmy, że zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku wynosi 100 kWh/(m2*rok), co przy domu o powierzchni 150 m2 daje nam 15000 kWh/rok.

Wariant I:

 

Dom ogrzewany za pomocą pompy ciepła o COP=5 (jest to wartość określająca sprawność deklarowaną przez producenta i oznacza, że z 1kWh energii elektrycznej uzyskamy 5kWh ciepła).
Przy założeniu ze 1kWh prądu kosztuje około 50 gr, nasz rachunek za ogrzewanie wyniesie:
Wariant II:

 

Ten sam budynek zasilany z kotła gazowego o sprawności COP=0,9. W tym przypadku, aby obliczyć rachunek za energię należy policzyć, ile gazu musimy zużyć na ogrzanie domu.

Przy założeniu, że ilość energii uzyskanej z 1m3 gazu wynosi około 35 MJ, co daje 9,7 kWh/m3, a jego cena to 2 zł za m3 mamy:

 

Odzysk ciepła

W przypadku budynków o dobrej izolacyjności i szczelności (a z takimi mamy do czynienia w przypadku domów energooszczędnych) nie wyposażonych w system wentylacji mechanicznej nawet około 60% strat ciepła to straty związane z usuwaniem zużytego, ciepłego powietrza wentylacyjnego z pomieszczeń na zewnątrz budynku. Dlatego też dalszy, skokowy postęp w ograniczaniu zużycia ciepła w energooszczędnych budynkach, wynika z zastosowania odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego (rekuperacji). W ten sposób można odzyskać nawet do 90% ciepła traconego wraz z usuwaniem zużytego powietrza wentylacyjnego.

Istnieje wiele metod odzysku ciepła. Najpopularniejszym rozwiązaniem jest wykorzystanie tak zwanych wymienników ciepła (rekuperatorów). Odzysk ciepła w rekuperatorze następuje na skutek przekazania (przez specjalną membranę) ciepła z usuwanego powietrza nagrzanego do powietrza zimnego nawiewanego do budynku z zewnątrz.

Rekuperator jest jednym z dodatkowych elementów wentylacji mechanicznej. Rozmiarami przypomina on mikrofalówkę i zamontowany jest w centrali wentylacyjnej, która znajduje się najczęściej na strychach, w garażach lub w pomieszczeniach gospodarczych.

Zasadę działania rekuperatora pokazuje poniższy schemat.

Rys. 3. Schemat rekuperatora. (Źródło : Portal Dom.wm.pl, http://dom.wm.pl/80331,Daj-odetchnac-swojemu-domowi-prawidlowa-wentylacja-z-ograniczeniem-strat-ciepla.html#axzz2kvEPmdPZ).

Koszty tego typu instalacji zależą od wielu czynników, takich jak rodzaj rekuperatora, jego sprawność czy też kubatura i szczelność budynku, i wynosi od kilku do kilkunastu tysięcy. Na przykład dla domku o powierzchni 150-200 m2 to wydatek rzędu ok. 6000 zł. Pozwala on jednak na uzyskanie znaczących oszczędności kosztów energii. Ponadto, jeżeli tego typu system przewidzimy na etapie projektowania domu, możemy zaoszczędzić na wykonaniu wentylacji naturalnej (eliminujemy koszt budowy komina wentylacyjnego), możemy też znacznie zaoszczędzić na instalacji centralnego ogrzewania (zmniejszając moc kotła oraz wielkości grzejników). W przypadku budynków zamieszkałych, wykonanie instalacji wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła jest również możliwe, jednak dosyć problematyczne, ponieważ wymaga doprowadzenia, do każdego z pomieszczeń, kanałów wentylacyjnych, które mogą zepsuć funkcjonalność i estetykę pomieszczeń. Rynek rekuperatorów bogaty jest w wiele ofert zarówno zagranicznych, jak i polskich producentów. Jakość i cena krajowych urządzeń nie różni się znacząco. Dlatego przy wyborze należy kierować się wiedzą oraz doświadczeniem ekspertów nie związanych z producentami (np. instalatorów).

Podsumowanie

Zobowiązania wynikające z członkostwa Polski w Unii Europejskiej powodują, że od roku 2021 wszystkie nowo wybudowane budynki mają charakteryzować się prawie zerowym zapotrzebowaniem na energię. Spowoduje to zmianę systemów grzewczych budynków w kierunku urządzeń produkujących ciepło i energię elektryczną w skojarzeniu lub wykorzystujących OZE, gdyż istotnego znaczenia nabiera zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).

Może mieć to pozytywny wpływ na rozwój nowych technologii produkujących ciepło. Producenci chcąc pozyskać większą liczbę klientów, będą musieli stać się bardziej konkurencyjni, co spowodować może atrakcyjniejsze ceny zarówno produktów, jak i ich eksploatacji (wytworzenie energii na własną rękę będzie tańsze).

Przypisy:

1. Źródło : Instytut na rzecz Ekorozwoju przy współpracy KAPE S.A., broszura wydana w ramach projektu „Z energetyką przyjazną środowisku za pan brat” przy wsparciu finansowym Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej „Energooszczędny dom i mieszkanie”, Węglarz A., Pietraczyk P., Stępień R., Warszawa, 2011 r.
2. Tamże.

 

 

dr inż. Arkadiusz Węglarz, inż. Marcin Skłodowski, inż. Piotr Ciechowicz
Krajowa Agencja Poszanowania Energii SA