Technologie OŹE w głębokiej termomodernizacji budynków

Dr inż. Ryszard Wnuk

Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A.rwnuk@kape.gov.pl

www.kape.gov.pl

FORUM TERMOMODERNIZACJI3.04.2019, Warszawa

Inc

rea

se o

f s

ha

re o

f R

ES

Improvement of energy efficiency

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Final energy use for heating [kWh/m²GFA.a]

Pri

mary

en

erg

y u

se f

or

heati

ng

[kW

h/m

² GF

A.a

]

Before renovation (individualgas boilers)

No thermal renovation,substitution of gas boilerthrough district heating

Thermal renovation andsubsition of gas boiler throughdistrict heating

Thermal renovation, subsitionof gas boiler through districtheating and increase share ofRES in district heating

1

2

3

Wprowadzenie

Wykorzystanie energii

promieniowania

słonecznego

Wykorzystanie innych

źródeł

Magazynowanie

energii na sposób

ciepła

1

2

4

3

Rezultaty działań termomodernizacyjnych (CONCERTO)

Udział technologii, w tym OŹE, w redukcji emisji CO2 w budynkach (IEA)::- redukcja zużycia energii elektrycznej – oświetlenie, chłodzenie, AGD;

- struktura budynku, budynki pasywne, generacja rozproszona;

- energetyka słoneczna w grzaniu i chłodzeniu.

3

• Energia promieniowania słonecznego:

• Pasywne i aktywne systemy grzewcze;

• Systemy fotowoltaiczne (PV);

• Oświetlenie światłem dziennym.

• Energia odpadowa: odzysk ciepła z układów wentylacyjnych, ścieków i innych;

• Energia otoczenia budynku (np. wód gruntowych lub powierzchniowych, gruntu, powietrza): zastosowanie pomp ciepła; wymienników gruntowych;

• Energia biomasy: instalacje z nowoczesnymi kotłami spalającymi zrębki drewniane lub pelety;

• Energia wiatru: turbiny wiatrowe;

• Inne technologie, np.:– silnik Stirlinga,– ogniwa paliwowe.

1

Odnawialne źródła energii w budynkach:

5

do 20 m2

Heat

Pipe

Charakterystyki kolektora dla

różnych jego konstrukcji

Kolektor płaski

Kolektor próżniowy

Absorber plastikowy

Ciepła woda i podgrzewanie

Podgrzewanie basenów

Ciepło technologiczne

Sprawność

Różnica temp. kolektora do temp. otoczenia [K]

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

Temperatura zredukowana

Sprawność

kolektor tubowo-próżniowy

kolektory płaskie

I IIIII

Viessmann

Słoneczne systemy podgrzewania ciepłej wody użytkowej –

kolektory słoneczne

Viessmann

2

Uzysk energetyczny:

400 – 550 kWh/m2 (płaskie)

6

GUS, 2015

Kolektory słoneczne wykorzystywało jedno na 56 gospodarstw domowych, czyli1,77% gospodarstw domowych – w tym do ogrzewania pomieszczeń stosowało je 0,14% gospodarstw domowych i 1,77% do ogrzewania wody.

Większość instalacji to kolektory cieczowe płaskie (72,3%), kolektory cieczowe próżniowe (21,0%), a kolektory cieczowe nieosłonięte (0,8%).

Średnia powierzchnia kolektorów słonecznych wyniosła 6,4 m2 (ich łączna powierzchnia w krajowych gospodarstwach domowych to 1530 tys. m2).

Poszukiwania

2

Koszt: do ok. 2000 zł/m2

Schemat hydrauliczny systemu „combi” dla domu jednorodzinnego 7

2

Radykalne zmniejszenie EU –do rozpatrzenia zastosowanie systemu „combi”

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

MJ/m

iesią

c

Qsł

Miesięczne uzyski

energetyczne

przykładowej instalacji

z kolektorami

słonecznymi

S

zenit

Zespól pompa - wymiennik

Zbiornik wodyuzupełniającej(magazyn energii)

naczynie wzbiorcze

G

H

D

H

L

D'

21 XII31 X

D L( β β α)cos sin ctg Duże instalacje

Schemat funkcjonalny dużej

instalacji słonecznej

64 kolektory,

pow. kolektora 1,78 m2

Łącznie 114 m2

2

Konieczne zapewnienie minimalnej odległości D

pomiędzy rzędami kolektorów

9

Lokalizacja

A V V/A Zysk energetyczny

m² dm³ [-] MJ/m2 kWh/m2

Ciechocinek 43,2 2000 46,3 2314,8 643

Kamieniec

Wrocławski

5 - - 1769,2 491

5 - - 2012,2 559

5 - - 1791,6 498

5 - - 1962 545

Łódź 80,4 3000 37,3 2410,7 670

Kraków 129,6 4800 37 1967,6 547

2

Występujące wady:

• Brak danych do opracowania założeń – błędne wymiarowanie powierzchni kolektorów słonecznych.

• Brak koncepcji ujmujących istotne uwarunkowania i specyfikę instalacji.

• Brak wiarygodnych obliczeń zysków energetycznych instalacji.

• Projektowanie – błędy w sztuce, nieznajomość specyfiki tematu, brak doświadczenia i nieuwzględnianie nowoczesnych technologii i rozwiązań.

• Niezgodne z projektem wykonanie.

• Brak monitoringu.

• Nie uwzględnienie strat przesyłu.

• Duże dofinansowanie nie skłania do troski o prawidłowe funkcjonowanie i efekty.

• Wady technologiczne urządzeń np. kolektorów słonecznych.

Koszt (LCOE) – bardzo silnie zmienny (70-…. zł/GJ)

10

2

11

Moduły przezierne

Zadaszenie wiaty parkingowej

2

BIPV

Współczynnik nakładu

nieodnawialnej energii

pierwotnej

w = 3

0

BAPV

0

500

1000

1500

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

[kW

h]

Całkowite zużycie energii

Całkowita produkcja energii z instalacji PV

12,9%

12,6%

12,0%

11,7%

11,0%

11,2%

11,4%

11,6%

11,8%

12,0%

12,2%

12,4%

12,6%

12,8%

13,0%

IX X XI XII

Sprawność systemu

fotowoltaicznego

Moc systemu PV – 9,75 kWp+ pompa ciepła

2 Przykład instalacji PV

Standardowe warunki testu(STC - Standard Test Conditions)

1000 [W/m2]

25oCAM 1,5

Nowakowski P., Wnuk R., Analiza funkcjonowania instalacji

fotowoltaicznej zintegrowanej z pasywnym budynkiem

jednorodzinnym, Polska Energetyka Słoneczna, 2018

2018

2018

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Udział energii wytworzonej i wprowadzonej do sieci do całkowitejenergii wytworzonej

Udział energii wytworzonej bezpośrednio wykorzystanej wcałkowitej energii wytworzonej

Produktywność systemu PV w 2018

roku wyniosła 1113 kWh/kWp

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

I II III

IV V VI

VII V

…

IX X XI

XII

[kW

h/k

Wp]

Średnia wartość

autokonsumpcji

w 2018 roku

wyniosła 24,7%,

Współczynnik samowystarczalności (współczynnik niezależności energetycznej) zdefiniowano jako iloraz energii z systemu PV zużytej przez odbiorniki domowe (bez oddawania do sieci i całkowitego zapotrzebowania na energię w budynku.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

I II III

IV V VI

VII

VII

I

IX X XI

XII

Średnioroczna wartość współczynnika

samowystarczalności w 2018 roku wyniosła 26,6%

2

Nowakowski P., Wnuk R., Analiza

funkcjonowania instalacji fotowoltaicznej

zintegrowanej z pasywnym budynkiem

jednorodzinnym, Polska Energetyka

Słoneczna, 2018

𝐸𝑤 - energia wytworzona przez system fotowoltaiczny [kWh];

𝐸𝑧 - zapotrzebowanie na energię elektryczną [kWh];

o - wielkość opustu: 0,8 dla instalacji do 10 kW, 0,7 dla instalacji

powyżej 10 kW;

a - wielkość autokonsumpcji, definiowana jako udział energii

bezpośrednio konsumowanej w wielkości energii wytworzonej

przez system PV.H - roczne napromieniowanie powierzchni czołowej modułów

fotowoltaicznych [kWh];

𝜂𝑖𝑛𝑠𝑡. - sprawność instalacji, (1 – straty), na podstawie wyników pomiarów

badanej instalacji, wynosi 0,87 (nie jest to wielkość związana ze

sprawnością modułów);

STC - gęstość strumienia napromieniowania

w warunkach testowych, wynosi 1 kW/m2.

Jeżeli zdefiniujemy współczynnik

autokonsumpcji 𝑎∗ jako udział

energii z systemu PV bezpośrednio

wykorzystanej do zapotrzebowania

na energię, formuła określania mocy

instalacji ma postać:

System opustów: dobór mocy P instalacji PV

𝑃 =𝐸𝑤

𝐻·𝜂𝑖𝑛𝑠𝑡.· 𝑆𝑇𝐶 =

𝐸𝑧· 𝑎∗+

1−𝑎∗

𝑜

𝐻·𝜂𝑖𝑛𝑠𝑡.·

𝑆𝑇𝐶 [kWp]

𝑃 =

𝐸𝑧𝑜 + 𝑎 − 𝑜 · 𝑎𝐻 · 𝜂𝑖𝑛𝑠𝑡.

· 𝑆𝑇𝐶

2

15

8,5

9,0

9,5

10,0

10,5

11,0

11,5

7,5

7,7

5 8

8,2

5

8,5

8,7

5 9

9,2

5

9,5

9,7

5

10

10,2

5

10,5

10,7

5

11

11,2

5

11,5

11,7

5

12

12,2

5

12,5

SPBT

(lata

)

Moc instalacji PV, [kWp]

SPBT do 5 lat

(grant 30%, odpis

podatkowy

Założono proporcjonalność kosztów systemu i mocy instalacji, przyjmując koszt 5508 zł

za 1 kWp (rzeczywisty w czasie budowy domu i instalacji 9,75 kWp). Obliczono

wartości SPBT dla instalacji w zakresie mocy od 7,5 kWp do 12,5 kWp. Przyjęto stałą

wartość energii z systemu PV bezpośrednio wykorzystanej 2676 kWh w okresie

rocznym, przy zapotrzebowaniu 10 070 kWh, a cenę energii 0,62 zł/kWh.

2

Ekonomika

Studnia

Powietrze

zewnętrzne

Pompa

ciepła

Absorber

gruntowy

poziomy

16

Zrzut

(otwór chłonny)

zł/kWh (energii elektrycznej)

= zł/kWh ciepła (współczynnik wydajności grzejnej)

Koszty eksploatacyjne

Dolne źródła ciepła:

naturalne (odnawialne)

powietrze zewnętrzne

wody powierzchniowe (rzeki,

jeziora)

wody gruntowe

wody geotermalne

grunt

promieniowanie słoneczne

zł/kWh energii elektrycznej

zł/kWh ciepła ze źródła

konwencjonalnego

ekonomika

3 Wykorzystanie energii zawartej

w otoczeniu domu –

za pośrednictwem pomp ciepła

Średnie wartości efektywności cieplnej (SPF) pomp ciepła:

• COP = 5,5 dla wód gruntowych jako dolnego źródła ciepła,• COP = 4,4 dla gruntu jako dolnego źródła ciepła,• COP = 3,2 dla powietrza jako dolnego źródła ciepła.

Scenariusz BLUE IEA

Budynki: 50-70%

z pompami ciepła (2050)

3

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5 3,75 4 4,25 4,5 4,75 5

EP/EU𝑄𝑘𝐻𝑜𝑧𝑒 = 𝑄𝑘𝐻 · 1 −

1

𝜂𝐻,𝑔

Pompy ciepła były wykorzystywane do celów grzewczych jedynie przez 0,08% gospodarstw domowych, w tym do ogrzewania pomieszczeń przez 0,07% i do ogrzewania wody przez 0,03%

GUS, 2015: pompy ciepła wykorzystywało jedno na 1250 gospodarstw domowych

Sprawność całkowita systemu grzewczego z pompą ciepła

18

Lp. Rodzaj budynku

EP na potrzeby ogrzewania

i przygotowania ciepłej wody

użytkowej, [kWh/(m2· rok)]

Od stycznia

2014

Od stycznia

2017

Od stycznia

2021

1.

Budynki rodzinne

a) Domy jednorodzinne

b) Domy wielorodzinne

120

105

95

85

70

65

2. Bloki mieszkalne 95 85 75

3.

Budynki użyteczności publicznej

a) Opieki zdrowotnej

b) Inne

390

65

290

60

190

45

Wykorzystanie biomasy

Współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla biomasy w = 0,2

l.

p.

Rodzaj

paliwa

Wartość

opałowa

1. Słoma 13

2. Zrębki 18

3. Pelet z łusek

słonecznika

21

4. Brykiet ze

słomy

17

5. Pelet drzewny 17

6. Brykiet

drzewny

17

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

25 35 45 55 65

w [%]

Qu

[M

Wh/t

]3

Zintegrowany system wentylacyjny z odzyskiem ciepła, z pompą ciepła i kolektorami słonecznymi

19

TURBINA HWT 3000 o mocy 3 kW

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

modułyfotowoltaiczne

turbinawiatrowa

kWh

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

450,00

500,00

+ PV 3,9 kWUkład hybrydowy = siłownia wiatrowa + słoneczna

3 Integracja systemów

PVT

Zintegrowany

kolektor cieczowy

i PV

20

Akumulacja energii:• magazynowanie energii cieplnej (wewnętrznej)

i chemicznej− Wykorzystanie pojemności cieplnej materiałów i efektów cieplnych

przemian fazowych− Wykorzystanie efektów cieplnych reakcji chemicznych

• Magazynowanie z wykorzystaniem procesów eletrochemicznych• Magazynowanie z wykorzystaniem procesów biochemicznych

4

Przykład

sezonowego

magazynu ciepła

wykorzystującego

reakcje chemiczne

FP7 - MOSTOSTAL

21

Zasobniki ciepła w budynkach

Zasobniki cienkowarstwowe

Zasobniki średniej wielkości

Zasobniki masywne

Zasobniki strukturalne

Magazyny ciepła

instalacji grzewczych

4

22

Technologie łączenia materiału zmienno-fazowych (PCM)

z materiałami budowlanymi:

– Bezpośrednie zmieszanie

– Nasycanie materiałem PCM elementów porowatych

– Kapsułkowanie

– Wytwarzanie elementów PCM do umieszczenia w elementach budowlanych (walce, maty)

– Wytwarzanie płyt laminowanych (najczęściej z wełny mineralnej) z cienką wewnętrzną warstwą materiału PCM)

Materiały fazowo-

zmienne (PCM)

Organiczne Nieorganiczne

Klasyfikacja materiałów fazowo-zmiennych ulegających przemianie

fazowej ciało stałe - ciecz

4

Stała czasowa, uwzględniająca dodatkowy składnik z PCM,

gdzie:

Cm – wewnętrzna pojemność cieplna materiału, [J/K];

Cp – ciepło utajone materiału zmiennofazowego [kJ/kg];

Δθ – projektowa różnica temperatur [°C];

m – masa materiału PCM.

𝜏 =

𝐶𝑚𝐻𝑡𝑟 + 𝐻𝑣𝑒

+𝑐𝑝 ∗ 𝑚

(𝐻𝑡𝑟+𝐻𝑣𝑒) ∗ 𝛥𝜃

3 600[h]

Propozycja ujęcia materiału PCM w metodyce

sporządzania charakterystyki energetycznej

budynku

18

19

20

21

22

23

24

25

024

00

48

00

72

00

96

00

12

000

14

400

16

800

19

200

21

600

24

000

26

400

28

800

31

200

33

600

36

000

38

400

40

800

43

200

45

600

48

000

50

400

52

800

55

200

57

600

60

000

62

400

64

800

67

200

69

600

72

000

74

400

76

800

79

200

81

600

84

000

86

400

Tpow(A) Tpow(B)

Tpow (C) Tpow(D)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

beton tynk wapienny parafina RT26 Micronal DS

5001X

sosna żółta

4

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Temperatura, C

Cie

pło

wła

ściw

e,

kJ/(

kg

K)

Odnawialne źródła energii i magazynowania energii w budynkach, szczególnie podlegających głębokiej termomodernizacji:

• Głęboka termomodernizacja rozszerza zakres zastosowania technologii odnawialnych źródeł energii, również zwiększając ich opłacalność;

• Znaczne zmniejszenie zapotrzebowania na energię użyteczną ułatwia planowanie technologii wykorzystania OŹE;

• Zastosowanie OŹE skutkuje zmniejszeniem zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną i redukcją szkodliwych emisji;

• Różnorodność dostępnych rozwiązań;

• Rozwój technologii;

• Perspektywiczne systemy zintegrowane, hybrydowe.

• Celowe całościowe, zintegrowane podejście do struktury i systemów grzewczych budynku.

• R&D celowe i realizowane.Dziękuję za uwagę

Ryszard Wnukrwnuk@kape.gov.pl