Czy można ograniczyć zużycie ciepła oraz energii o więcej niż 90%?

Średnie roczne zużycie energii w domu mieszkalnym

Podróż w kierunku odpowiedzi na pytanie o zużycie energii w domu mieszkalnym należałoby rozpocząć od rozróżnienia pomiędzy energią użytkową a końcową.

Mając powyższe za sobą, wracamy do konkretu, a więc: Ile energii będzie potrzebował dom mieszkalny? Z jakiej wysokości rachunkami trzeba się liczyć? Budowane obecnie (a jest rok 2023) budynki jednorodzinne będą zużywać od 65 do 110 kWh na 1m2 powierzchni na rok (tabela poniżej). Najwięcej energii w domu zużywamy na następujące cele:

• Ogrzewanie i wentylację 47%, tj. 38kWh,
• Podgrzewanie ciepłej wody użytkowej 31%, tj. 25kWh,
• Prąd do oświetlenia i urządzeń 12%, tj. 10kWh,
• Gotowanie posiłków 6%, tj. 5kWh,
• Chłodzenie budynku 4%, tj. 3kWh.

Powyższa proporcja ma oczywiście charakter przybliżony. Wartości dla innych obiektów budowanych w różnym okresie możemy odczytać w załączonej tabeli. Aby odnieść się do konkretnego przykładu, w obliczeniach przyjmujemy wartość środkową tj. 80kWh/(m2*rok). Tym, co od razu da się zauważyć, jest to że dom o powierzchni 150m2 potrzebuje rocznie około 12000 kWh energii.

Jak zaprojektować źródło ciepła dla budynku?

Zatem jakie źródło energii wybrać? Gaz, czy pompa ciepła?

W zależności od tego, z jakiego źródła energii skorzystamy, będziemy mieli następującą sytuację:

Wariant pierwszy — roczne zużycie z kotłem gazowym:

• Ogrzewanie i ciepła woda z gazu,
• Gotowanie, chłodzenie, oświetlenie z prądu,

Co odniesione do metra kwadratowego powierzchni całego budynku daje Energię końcową w ilości 93kWh/(m2*rok), w proporcji 77% w rachunkach za gaz i 23% za prąd. 

lub

Wariant drugi — roczne zużycie z powietrzną pompą ciepła:

• Ogrzewanie, ciepła woda i chłodzenie z pompy ciepła plus gotowanie i oświetlenie, czyli wszystko z prądu,

Co odniesione do metra kwadratowego powierzchni całego budynku oraz po uwzględnieniu sprawności daje Energię końcową w ilości 44kWh/(m2*rok) w całości z energii elektrycznej. 

Jak obniżyć zużycie ciepła i energii w dużym obiekcie?

Interesującym pytaniem pozostaje, jak ta energia końcowa przełoży się na cenę za nośniki takie jak prąd elektryczny czy gaz ziemny? Wiemy, że część energii, w postaci na przykład ciepła do ogrzewania, zależenie od wybranego systemu grzewczego, może z pochodzić z różnych źródeł. Co więcej, ceny za energię zależą od warunków lokalnych, jakie oferuję ich dostawca – taryfy, opłat stałych itp.?

Reasumując, energia użytkowa, czyli to, ile faktycznie jej potrzeba do zaspokojenia potrzeb budynku i jego mieszkańców pozostaje w każdym przypadku taka sama, czyli w powyższym przykładzie 80 kWh/(m2*rok). Zastosowanie techniki z pompami ciepła do ogrzewania i ciepłej wody sprawia jednak, że znaczna część ciepła będzie pobrana z otoczenia, co obniży energię końcową. W przykładzie 93 kWh/(m2*rok) przy kotle gazowym w porównaniu z 43 kWh/(m2*rok) przy powietrznej pompie ciepła.

Zatem po podzieleniu tych wartości przez siebie (93/43) otrzymamy około 2, stąd wniosek, że o ile cena za energię elektryczną nie przekroczy dwukrotnie ceny za gaz, to ogrzewanie pompą ciepła będzie, w ostatecznym rachunku tańsze. Zwracamy także uwagę, że uwzględnia to wszystkie, a na pewno większość potrzeb energetycznych obiektu, stąd wartości są niższe niż dla samego urządzenia – pompy ciepła.

Odpowiedź na to pytanie sugerujemy zacząć od odwołania się do tabeli przedstawiającej zużycia ciepła i energii w różnego rodzaju obiektach w zależności od okresu ich budowy. Tabela (link poniżej), wraz z instrukcją korzystania można pobrać na przykład podczas zapisywania się do newslettera Enob.eu

Wyniki, dla różnych budynków, wraz z komentarzem odnośnie sposobu korzystania, w formacie PDF lub XLSX?

Kilka słów komentarza odnośnie zawartości tabeli, ze szczególnym naciskiem i odniesieniem do budynków użytkowych, komercyjnych oraz biur należałoby rozpocząć od rozróżnienia pomiędzy energią użytkową a końcową.

Mając powyższe za sobą, zauważamy w pierwszej kolejności trend związany z rosnącą potrzebą chłodzenia budynków, który ze szczególną intensywnością dotyczy właśnie biur. Wynika to z tego, że praca w nich, o ile pracownicy biurowi zdecydują się do nich przyjść zamiast pracy zdalnej, oczywiście, odbywa się zwykle w godzinach, które pokrywają się z maksymalnymi zyskami od słońca, w więc tuż przed i po południu. Tak więc o ile mniej ciepła potrzebujemy do ich ogrzania, o czym jeszcze za chwilę, o tyle energia potrzebna do ich chłodzenia weźmie górę nad ogrzaniem. Oczywiście dla porządku dodamy od razu, że budynki pasywne czy zeroenergetyczne mają tak dalece posunięte ograniczenie strat ciepła przez przegrody, że oświetlenie zużywa w nich jej więcej niż ogrzewanie i chłodzenie razem wzięte!

Inną ważną zmianą, o której właściwie nie da się zapomnieć, gdyż jest o tym głośno w każdym medium jest ogólny trend odchodzenia od paliw kopalnych. Głównym „narzędziem” do uzyskania redukcji ich zużycia są każdego rodzaju pompy ciepła. Co widać, to przy ich zastosowaniu spada 2-3 krotnie ilość potrzebnej energii końcowej, przy tej samej ilości energii użytkowej. Może nie brzmi to jakoś przesadnie euforycznie, ale jest to decydująca zmiana z punktu widzenia chociażby polityków, ale również lokalnego środowiska naturalnego. Dla porządku zauważmy, że dla użytkownika ta zmiana może być mniej czytelna, bo osadzona w twardych ekonomicznych realiach polityki cen energii, o czym piszemy w części dotyczącej wyboru źródeł ciepła.

Jaka będzie optymalna ścieżka postępowania, gdy chodzi o obniżenie zapotrzebowania na ciepło i energię dla Nowego Budynku?

Nie mniej ciekawym zjawiskiem jest zmiana w ogólnym zapotrzebowania na ciepło w odniesieniu do potrzeby ogrzewania i wentylacji w budynkach. Na przykładzie tego rodzaju obiektów widać spadek z 36 kWh/m2/rok w budynkach niskoenergetycznych w pobliże 4 kWh/m2/rok w budynkach zeroenergetycznych, a więc o około 90%. Wynika z tego, że dalsza redukcja w tym obszarze właściwie nie będzie możliwa. A to prowadzi do następnego spostrzeżenia odnośnie obiektów o radykalnie ograniczonym zużyciu energii, że ich bilans energetyczny będzie zerowy, albo wręcz dodatni, czyli będą przekazywać jej do sieci więcej, niż pobierają.

Ujmiemy to następująco, w ramach ograniczenia zużycia energii, z niektórych jego składowych nie sposób zrezygnować na przykład podgrzewania ciepłej wody. Fizycznie nie jest również możliwe zejście z zapotrzebowaniem np. energii na ogrzewanie poniżej zera. Jednak, stosowanie technologii, które dodają do układu więcej ciepła lub energii niż kosztuje ich praca (odbywa się to oczywiście kosztem jej doprowadzenia z zewnątrz np. pompa ciepła z powietrza albo fotowoltaika z promieniowania słonecznego) powoduje, że będziemy mieć do czynienia z budynkami biurowymi, które nie tylko bilansują własne potrzeby, ale również oddają energię do sieci. Tym samym poprawiają słupki w prezentacjach polityków, czyli osób, które decydują o ekonomicznych przesłankach, czyli dalszej ekonomicznej opłacalności tego zjawiska.

Mamy ostatnio do czynienia z prawdziwym wsypem różnych pomysłów na tanie wytwarzanie ciepła, głównie w Internecie. Nie odwołamy się w tym miejscu do linków do każdego z przykładów, ponieważ nie należą im się te dodatkowe kliknięcia. Pierwszy z brzegu przykład polega w uproszczeniu na wprawieniu dużej masy w ruch i zasilaniu silnika elektrycznego, który ją napędza energią, którą dostarcza prądnica, z nią samą połączona. Czytając poprzednie zdanie, to sami mamy wrażenie masła-maślanego, ale tak to właśnie miało działać. Taki obieg zamknięty, jak mogłoby się wydawać. Inny pomysł to kolejna już wariacja na temat urządzeń grzewczych elektrycznych opartych o nieco inne procesy generowania ciepła niż tradycyjna grzałka, czyli drut oporowy. W tym przypadku chodził o efekt mikrofalowy – znany z popularnych kuchenek.

Nowe, cudowne technologie

Każdemu z tych internetowych odkryć towarzysz spore zaciekawienie czytelników, połączone zazwyczaj z „a to widziałeś?” W komplecie bywa link i jakiś film na youtube. No cóż. „Nowe” technologie, z naciskiem na cudzysłów wokoło słowa nowe, zwykły pojawiać się ostatnio jak grzyby po deszczu. Większość z tych, które bywają zwodnicze, można rozpoznać już na pierwszy rzut oka po tym, że przyjmują takie uczone, mądre nazwy. Ma to na celu przyozdobić je niezasłużonym nimbem naukowości. Naga prawda jest jednak taka, że niezmiennie pozostają one osadzone w obszarze zjawisk fizycznych ograniczonych brutalnie przez rzeczywistość, czyli perpetuum mobile – nie istnieje.

Poprawność doboru pompy ciepła albo przedyskutowanie możliwości zastosowania hybrydowych źródeł ciepła?

Chodzi mi o odróżnienie urządzeń działających na naukowych podstawach od pomysłów, które w swoim założeniu mają udawać te pierwsze, ale tak naprawdę są zwodnicze. Jedno, czego nie zmienią żadne zabiegi, to zasady fizyki, które nadal, uparcie obowiązują. Każdy z tych pomysłów, reklamowany jako cudowna technologia, musi mieć i faktycznie ma deficyt energii, czyli daje jej mniej, niż pobiera. W tym też niczym nie różni się od zwykłej grzałki, czy czajnika, których sprawność jest w pobliżu jedności, czyli 99%.

Dużą natomiast zmiana, którą odczytujemy już jako pewną jest to, że czas innych źródeł energii, oprócz prądu elektrycznego, w Europie się kończy. Stąd różne pomysły na wykorzystanie właśnie energii elektrycznej jako podstawowego źródła ogrzewania. Urządzenia, które faktycznie dokładają do układu więcej energii niż prąd, który pobierają do swojej obsługi, to pompy ciepła i działają na zupełnie innej zasadzie. Europa będzie więc podążać ścieżką wytwarzania i magazynowania energii oraz zużywania jej w postaci prądu elektrycznego, zamiast gazu o węglu nie wspominam już w ogóle. Tyle że w dużej skali, czyli całego kontynentu.

Badanie to jest jednym z szeregu działań diagnostycznych, po które dawniej nie zbyt często sięgano. Termowizja jest badaniem obrazu (emisji ciepła), w podczerwieni. W odniesieniu do budynków, czyli obiektów które (z zewnątrz) badamy tam, gdzie stoją, to najlepszy czas na to badanie jest zimą. Wynika to z tego, ze z początkiem zimy, czyli sezonu grzewczego, wyniki tego rodzaju pomiarów są najbardziej miarodajne. Wraz z wiosną na zewnątrz i wyrównywaniem się średnich temperatur znika bowiem kontrast temperaturowy, który pozwala ujawnić wewnętrzne błędy, nieciągłości w przegrodach budynku. Przyjmuje się, że 10-15 stopni Celsjusza to minimalna różnica temperatur, przy której wyniki termowizji są jeszcze miarodajne.