Dom energooszczędny. Ogrzewanie domu i wody

Od końca lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku wiele państw europejskich uruchomiło programy wspierające budownictwo energooszczędne, o różnym stopniu dofinansowania. Ich rezultatem było powstanie kilku klas energooszczędnych budynków - od 7, przez 5, 3 i 1,5-litrowe. Liczby te oznaczają ilości litrów oleju opałowego, potrzebnego do ogrzania w ciągu sezonu grzewczego 1 m2 powierzchni użytkowej domu lub mieszkania. Jeden litr oleju opałowego to równowartość 10 kWh energii cieplnej.

Od roku 1995 idea domów 1,5-litrowych komercjalizowana jest skutecznie przez Instytut Budownictwa Pasywnego w Darmstadt, pod niezbyt zresztą trafną nazwą "budownictwo pasywne", co może sugerować całkowity brak aktywnych instalacji pozyskujących energię z otoczenia.

Zapotrzebowanie na ciepło

Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania naszego domu jest też trzy razy mniejsze niż graniczne dla budynków pasywnych. Przy czym oferty rynkowe budowy domów pasywnych są o 30-40% wyższe niż tradycyjnych (czytaj: spełniających wymagania przepisów budowlanych).

W poprzednich artykułach tego cyklu opisaliśmy, w jaki sposób można osiągnąć taki standard energetyczny domu i wykazaliśmy, że jest to bardzo korzystne ekonomicznie. Przypomnijmy, że uzyskaliśmy to dzięki wysokiej izolacyjności nieprzezroczystych przegród budowlanych, dla których współczynniki przenikania ciepła U mają wartość nie większą niż 0,1 W/(m2K). Głównie jednak osiągnęliśmy to dzięki innej filozofii podejścia do budynku, dla której istotne są elementy aktywne, takie jak na przykład zastosowanie okien z współczynniku przenikania ciepła okna z automatycznie zamykaną roletą Uw = 0,7 W/(m2K) i współczynniku przepuszczalności energii słonecznej g = 0,67. Takie aktywne podejście do pozyskiwania energii słonecznej wydaje się być czymś zupełnie oczywistym, jeśli porównamy zapotrzebowanie na ciepło ADD z energią dostarczaną przez słońce. W warunkach Polski jest to rocznie - w zależności od regionu - 800-1200 kWh/m2. Pozyskanie do ogrzewania chociażby 1% tej energii nie powinno być specjalnie trudne technicznie.

911 kWh - tyle wynosi roczne zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania naszego domu.

5 kWh/m2 - tyle wynosi to zapotrzebowanie w przeliczeniu na 1 m2 powierzchni użytkowej.

Moc systemu grzewczego

Niezwykle ważnym parametrem energetycznym budynku jest zapotrzebowanie na moc systemu grzewczego. Określa ono niezbędną wielkość urządzeń grzewczych dla zapewnienia komfortu cieplnego, czyli uzyskania temperatury powietrza 20 st.C w pokojach, przy zewnętrznej temperaturze obliczeniowej najniższej średniej występującej w danym regionie. Dla największej z pięciu stref klimatycznych w Polsce jest to -20 st.C.

W projektowanym Autonomicznym Domu Dostępnym jest to moc 2,4 kW, co w przeliczeniu na jednostkową powierzchnię daje 17 W/m2. Jak jest to niewiele, pokazuje porównanie zapotrzebowania na moc do ogrzewania w ADD sypialni o powierzchni 14 m2 z energią emitowaną przez mieszkańców. Dla tej powierzchni zapotrzebowanie na moc wyniesie 14 m2 × 17 W/m2 = 238 W, a dwie śpiące osoby emitują 240 W ciepła. Jak widać przy takim zapotrzebowaniu na moc już dwie osoby zapewniają pokrycie strat ciepła przy temperaturze zewnętrznej -20 st.C. Oznacza to, że nawet mroźną zimą w domu o niemal zerowym zapotrzebowaniu na ciepło większość energii potrzebnej do pokrycia strat ciepła pochodzi nie z dedykowanych do tego celu urządzeń, ale od mieszkańców, sprzętu AGD, oświetlenia itp.

Jak wynika ze szczegółowych bilansów cieplnych w takich domach w sezonie grzewczym całkowite zyski ciepła słonecznego i bytowego są większe niż jego całkowite straty. Mimo to potrzebujemy zewnętrznych źródeł energii. Wynika to z tego, że strumień zysków ciepła jest mniej więcej stały i nie zależy od temperatury zewnętrznej. Dlatego przez znaczną część sezonu grzewczego mamy zyski ciepła przewyższające straty. Może to prowadzić do przegrzewania się pomieszczeń, dlatego nadmiar ciepła bytowego musi być usuwany przez system wentylacyjny. Jednocześnie przy niskich temperaturach zewnętrznych energii tej jest za mało do pokrycia strat ciepła i dlatego musimy mieć w domu dodatkowe źródła energii.

W tradycyjnym budownictwie decydujące znaczenie w rachunku za ogrzewanie ma cena paliwa. Dlatego wiele osób budujących takie domy decyduje się na ogromne wydatki inwestycyjne, byle zmniejszyć cenę 1 kWh ciepła. Jednym ze sposobów jest instalacja pompy ciepła, której koszt to około 40-60 tysięcy zł.

Przy tak niskim jak w ADD zapotrzebowaniu na ciepło, inwestycje takie są jednak ekonomicznie nieopłacalne. Koszt ogrzewania takiego domu najdroższym rodzajem energii, czyli prądem, wynosi poniżej 500 zł rocznie, przy koszcie instalacji na poziomie 2 tys. zł. Oznacza to, że różnica pomiędzy taką najtańszą instalacją a pompą ciepła wynosi minimum 38 tys zł. Gdyby zaoszczędzone w ten sposób pieniądze zdeponować w banku, odsetki wyniosą około 2 tys. zł rocznie, czyli cztery razy więcej niż koszt zużytego do ogrzewania prądu.

2,4 kW - tyle wynosi zapotrzebowanie na moc systemu grzewczego w naszym domu.

17 W/m2 - tyle wynosi to zapotrzebowanie w przeliczeniu na 1 m2 powierzchni użytkowej.

Ciepła woda

W ADD inne są relacje pomiędzy kosztami energii do ogrzewania i do przygotowania ciepłej wody. W domu o takiej samej architekturze, ale o standardzie energetycznym zalecanym przez ministra infrastruktury jako racjonalny (160 kWh/m2/rok), roczne zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania wyniesie 160 kWh × 144 = 23 040 kWh. Roczne standardowe zapotrzebowanie na ciepło do podgrzania wody dla 4 osób wynosi 2500 kWh. Zatem do przygotowania ciepłej wody potrzebujemy około 10% ciepła do ogrzewania. Z punktu widzenia kosztów energii nie jest to więc istotny problem. Inaczej jest w ADD - standardowe zapotrzebowanie na ciepło do podgrzewania wody jest ponad trzykrotnie wyższe niż zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania domu.

Warto zatem zainwestować w radykalne obniżenie zapotrzebowania na ciepłą wodę. Propozycja taka może budzić zdecydowany sprzeciw większości entuzjastów gorących kąpieli, do których zalicza się też autor tego tekstu. Na szczęście okazuje się, że radykalne zmniejszenie zużycia wody nie wymaga żadnych osobistych wyrzeczeń, a jedynie ograniczenia jej niesłychanego marnotrawstwa. Przykładów jest wiele; z własnego doświadczenia przytoczę jeden - mycie zębów przy otwartym kranie z ciepłą wodą. Przez ponad 80% czasu tej operacji ciepła woda spływa z kranu prosto do kanalizacji. Gdyby zamiast tradycyjnej armatury zainstalować zbliżeniową, woda lałaby się tylko wtedy, gdy zbliżymy rękę ze szczoteczką lub pobieramy wodę do wypłukania ust.

Stosując wysoko sprawne aeratory, armaturę zbliżeniową, zmywarki do naczyń i nowoczesne pralki, możemy zmniejszyć zużycie wody nawet o 60%. Wtedy zapotrzebowanie na ciepło do jej podgrzewania (0,4 × 2500 = 1000 kWh) będzie w rozliczeniu rocznym zbliżone do ilości ciepła potrzebnego do ogrzewania domu, a jeśli odniesiemy to tylko do sezonu grzewczego - trochę ponad 30%.

Czym ogrzewać pomieszczenia i wodę w ADD

W ADD potrzebujemy 911 kWh do ogrzewania domu i około 320 kWh w sezonie grzewczym z kominka z płaszczem wodnym (pozostałe 680 kWh dostarczą kolektory słoneczne) do przygotowania ciepłej wody, czyli razem 1231 kWh energii cieplnej.

Ogrzewanie elektryczne. Niewątpliwie najtańsze inwestycyjnie byłoby ogrzewanie prądem. Należy jednak poważnie brać pod uwagę wysokie prawdopodobieństwo zarówno radykalnych podwyżek cen prądu, jak i rosnące ryzyko częstych awarii sieci elektroenergetycznej.

Nie bez znaczenia są także argumenty ekologiczne, jako że korzystanie z energii elektrycznej wiąże się w Polsce z dużym zanieczyszczeniem środowiska naturalnego.

Szacunkowe koszty 1 kWh energii elektrycznej, uwzględniając koszty amortyzacji urządzeń grzewczych, przy założeniu nakładów inwestycyjnych nie większych niż 3 tys. zł oraz przyjmując 10-letnią trwałość elektrycznych urządzeń grzewczych, wyniosą 3000 zł/(10 lat × 1231 kWh/rok) + 0,53 zł/kWh = 0,77 zł. A zatem koszt ogrzewania elektrycznego z uwzględnieniem wydatków na system grzewczy w ADD wyniósłby 1231 kWh × 0,77 zł/kWh = 948 zł/rok.

Kominek z płaszczem wodnym. Pozbawiony wspomnianych wyżej zagrożeń i niezwykle korzystny z punktu widzenia ekologii, jest kominek z płaszczem wodnym. Jak bardzo ważnym elementem jest kominek, świadczy jego związek z archetypem ognia i ogniska domowego. Dlatego wiele osób nie potrafi wyobrazić sobie bez niego domu. Przyjmijmy zatem, że koszty zamiany zwykłego kominka na taki z płaszczem wodnym, z 700-1000-litrowym zasobnikiem ciepła oraz wyposażony w automatykę zasilaną akumulatorem, wyniosą 10 tys. zł.

Przy koszcie 1 kWh ciepła z drewna na poziomie 0,15 zł oraz założeniu 15-letniej trwałości całej instalacji, koszt 1 kWh energii uzyskanej z takiego systemu grzewczego wyniesie 10 000 zł/ (15 lat × 1231 kWh/rok) + 0,15 zł = 0,69 zł. Jest to taniej niż przy ogrzewaniu elektrycznym i bez związanego z nim ryzyka, ale oczywiście znacznie mniej wygodnie. Choć niedogodności są tu o wiele mniejsze niż w tradycyjnych domach z takim systemem ogrzewania, bo przy temperaturze -20°C wystarczy jednokrotne załadowanie kominka o mocy 8 kW (najczęściej obecnie stosowane w domach jednorodzinnych wkłady kominkowe mają od 8 do 20 kW). Natomiast przy wyższych temperaturach zewnętrznych wystarczy rozpalenie go raz na kilka dni.

Niestety, używanie kominka poza sezonem grzewczym do podgrzewania wody to niedobre rozwiązanie. Palenie w kominku, gdy na zewnątrz jest ciepło, nie jest przyjemne, nie mówiąc już, że prowadzi do przegrzewania pomieszczeń.

Kolektory słoneczne. Rozwiązaniem problemu ciepłej wody latem jest instalacja solarna. Wysokotemperaturowe kolektory próżniowe mogą pokryć zoptymalizowane zapotrzebowanie na ciepłą wodę w 100% już od początku marca do końca października. Żeby było to możliwe, ich nachylenie względem poziomu powinno w marcu i październiku wynosić 60°, a najlepiej byłoby zainstalować kolektory w taki sposób, by możliwa była zmiana kąta ich nachylenia. W ADD umieszczono je na południowej ścianie pomieszczenia hobby.

Na pokrycie całkowitego zapotrzebowania na ciepłą wodę od marca do października wystarczą 4 m2 kolektorów próżniowych, przy założeniu ich 30% sprawności (należy tu zaznaczyć, że podawane przez producentów sprawności rzędu 60% zakładają prostopadły kierunek promieniowania słonecznego w stosunku do kolektora, co ma miejsce jedynie w południe).

Jeśli przyjąć koszt instalacji solarnej w wysokości 10 tys. zł (bez zasobnika, bo ten już mamy) i 20-letni okres jej trwałości, to koszt 1 kWh wyniesie 10 000 zł/(20 lat × 680 kWh/rok) = 0,76 zł. Jest to praktycznie tyle samo, co przy korzystaniu z prądu, ale biorąc pod uwagę jego rosnące ceny i ryzyko przerw w dostawach, warto zdecydować się na kolektory.

W najbardziej słonecznych miesiącach wyprodukują one znaczną nadwyżkę ciepła. W klasycznych instalacjach ten problem rozwiązywany jest przy pomocy różnych kosztownych rozwiązań technicznych. W ADD problem ten likwiduje zasobnik gruntowy (GZC), który przejmuje nadmiar ciepła latem.

Ogniwa hybrydowe. Po zoptymalizowaniu zapotrzebowania na ciepło, prawdziwym wyzwaniem jest uzyskanie autonomii w zakresie energii elektrycznej. Szerzej omówimy to zagadnienie w następnym odcinku tego cyklu.

Teraz chciałbym jedynie zwrócić uwagę na pewną właściwość ogniw fotowoltaicznych, jednego z dwu - obok wiatraków, najpopularniejszych odnawialnych źródeł energii elektrycznej. Otóż mają one istotną wadę. Jest nią spadek wydajności o 0,5% na każdy 1°C wzrostu temperatury. Oznacza to, że wtedy, kiedy ogniwa mogłyby produkować najwięcej energii, czyli w bardzo słoneczny letni dzień, ich sprawność na skutek wzrostu temperatury spada co najmniej o 20%.

Sposobem na zmniejszenie tego spadku jest chłodzenie ogniwa. Jeśli użyjemy do tego wody, będzie to dobry sposób na jej podgrzanie. Niestety, jeżeli ma ona skutecznie chłodzić ogniwo, nie powinna mieć temperatury wyższej niż 30°C, czyli będzie mało użyteczna dla mieszkańców. Chyba że będziemy podgrzewać nią grunt pod budynkiem. Tak właśnie zrodziła się koncepcja gruntowego zasobnika ciepła. Nie było nią więc poszukiwanie sposobu zakumulowania letniego nadmiaru energii słonecznej na zimę, lecz potrzeba zwiększenia efektywności pracy ogniw fotowoltaicznych.

Zgromadzone w ten sposób ciepło możemy oczywiście przeznaczyć do ogrzewania budynku zimą. By było to możliwe temperatura zasilania systemu grzewczego musiałaby być niższa niż 25°C. Z taką sytuacją właśnie mamy do czynienia w naszym domu, którego zapotrzebowanie na moc wynosi 17 W/m2.

Jeżeli systemem grzewczym będzie ogrzewanie podłogowe z ceramicznymi posadzkami, lub innymi, ale niebędącymi barierami dla ciepła, to temperatura wody zasilającej nie przekroczy 25°C przy zewnętrznej temperaturze obliczeniowej dla trzeciej strefy klimatycznej -20°C.

Gruntowy zasobnik ciepła. Pełne pokrycie na ciepło do ogrzewania domu dla temperatur niższych niż -5°C wymaga zakumulowania w gruncie około 250 kWh energii cieplnej. Dla tej ilości ciepła o temperaturze 25÷27°C wystarczy 250 m3 wilgotnego gruntu ze znacznym udziałem frakcji ilastych (glina). Przy temperaturach zewnętrznych wyższych niż -5oC, z zasobnika możemy pozyskiwać ciepło do temperatury 21°C, a więc kolejne 600 kWh. Warto też pamiętać, że dzięki zasobnikowi wyeliminowaliśmy straty przez podłogę w wysokości 400 kWh.

Koszt budowy GZC to około 15 tys. zł. Może on schłodzić do temperatury 30°C ogniwa PVT o powierzchni ponad 50 m2. Dzięki poprawie ich sprawności, zostanie dodatkowo wyprodukowane 50 m2 × 170 kWh × 0,2 = 1700 kWh energii elektrycznej o wartości 1700 kWh × 0,53 zł/kWh = 900 zł.

Przyjmując, że bez zasobnika dostarczaną przez niego energię pozyskiwalibyśmy z drewna, oszczędności wyniosą 1310 kWh × 0,15 zł/kWh = 197 zł. Razem więc przychody z tytułu inwestycji w gruntowy zasobnik ciepła wyniosą rocznie 1097 zł. Oznacza to, że prosty czas zwrotu nakładów (SPBT) poniesionych na jego wykonanie w wysokości 15 000/1097 = 13,7 lat, a więc jest ponad dwukrotnie krótszy niż spłata kredytu. Innymi słowy, nawet jeśli nakłady na gruntowy zasobnik (którego trwałość to minimum 80 lat) będą pochodziły z kredytu, to suma obciążeń kredytowych minus korzyści, jakie mamy z zasobnika, będzie niższa niż koszty kredytu na budowę domu bez zasobnika.

Średni koszt 1 kWh energii uzyskanej dzięki zasobnikowi gruntowemu to 15 000 zł/(80 lat × (1700 kWh/rok + 1310 kWh/rok) = 0,06 zł. Rynkowa wartość tej energii to (1700 × 0,53 + 1310× 0,15)/(1700 + 1310) = 0,36 zł, a więc sześć razy więcej!

Ciąg dalszy nastąpi

Optymalne dobranie oporów cieplnych przegród budowlanych i umieszczenie większości okien na elewacjach wschodniej, zachodniej i południowej, a także zastosowanie wysoko sprawnej wentylacji z rekuperacją - w połączeniu z zastosowaniem odpowiednich kolektorów i ogniw PVT - pozwala na zredukowanie kosztów ogrzewania i przygotowania ciepłej wody do 320 kWh, pozyskanych ze spalania drewna w kominku, o symbolicznej wartości 50 zł/rok. Oznacza to, że zaproponowane rozwiązania zapewniają nie tylko autonomię energetyczną w zakresie ogrzewania i ciepłej wody, ale także najniższą sumę kosztów kapitału i kosztów energii w czasie spłaty kredytu, a więc największą dostępność domu (więcej na stronie www.dommadd.pl).

W następnym numerze opiszemy możliwy do uzyskania zakres autonomii w zakresie energii elektrycznej.

Zapisz się na NEWSLETTER. Co tydzień najnowsze wiadomości o budowie, remoncie i wykańczaniu wnętrz w Twojej poczcie e-mail: Zobacz przykład

>