Artykuły

Urządzenia i systemy odnawialnych źródeł energii znajdują zastosowanie w ogrzewaniu pomieszczeń, podgrzewaniu wody użytkowej, oraz wytwarzaniu energii elektrycznej do oświetlenia i zasilania elektrycznych odbiorników domowych. Jeśli chodzi o odnawialne źródła energii, bezpośrednio związane z danym obiektem budowlanym w warunkach polskich można wykorzystywać:
– energię promieniowania słonecznego – w pasywnych i aktywnych systemach grzewczych, w rozwiązaniach związanych z oświetleniem światłem dziennym oraz w instalacjach elektrycznych z ogniwami fotowoltaicznymi,
– energię biomasy – w instalacjach z kotłami do spalania zrębków drewnianych, peletów lub słomy,
– energię zawartą w środowisku naturalnym (zastosowanie pomp ciepła),
– energię odpadową (w tym poprzez rekuperację ciepła z układów wentylacyjnych, ścieków i innych).

Celowe, a nawet konieczne jest – w przypadku już istniejących budynków – łączenie wykorzystania odnawialnych źródeł energii z działaniami termomodernizacyjnymi. W zależności od potrzeb budynku szczególnie starannie dobierać należy systemy energetyki konwencjonalnej. Ich przewymiarowanie jest niekorzystne ekonomicznie, a np. w przypadku kotłów na biomasę, zmniejsza sprawność urządzeń i zwiększa emisję szkodliwych substancji.

Usytuowanie budynku

Właściwie zaprojektowany budynek pozwala na optymalne tzw. bierne wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania i oświetlenia.

Od strony południowej budynek powinien być “otwarty” na oddziaływanie promieniowania słonecznego, dla uzyskania możliwie największych zysków cieplnych. Uzyskuje się to stosując jak największe przeszklone powierzchnie.

Zaleca się, aby fasada południowa miała powierzchnię większą niż pozostałe co jest trudne do osiągnięcia w budynku o kształcie prostopadłościanu (ściana południowa będzie taka sama jak północna).

Można jednak dążyć chociażby do zbliżenia kształtu fasady południowej do spłaszczonego półkola. “Otwarcie” od strony południowej powinno jednocześnie zapewniać możliwość odizolowania się od niekorzystnych wpływów środowiska w ekstremalnych warunkach pogodowych, aby zimą nie dochodziło do zbyt dużych strat ciepła od północy, a latem przegrzewania pomieszczeń od strony południowej.

Powszechnie wykorzystywanymi sposobami zapobiegania przegrzewaniu się pomieszczeń w lecie jest stosowanie żaluzji, markiz lub lameli. Rysunek przedstawia południową ścianę budynku, zaprojektowaną tak, aby optymalnie wykorzystać nasłonecznienie.
Od strony północnej budynek powinien być “szczelnie” oddzielony od otoczenia, co oznacza stosowanie tzw. “super” izolacji. Jednocześnie powinien być w sposób naturalny jak najbardziej osłonięty przed negatywnymi skutkami pogody, co można osiągnąć przez jego “zaciszne” umiejscowienie i właściwie zaprojektowaną zieleń. Rysunek przedstawia północną ścianę budynku, zaprojektowaną tak, aby budynek był minimalnie narażony na utratę ciepła.

Energia słoneczna

Najbardziej popularnym urządzeniem służącym do konwersji termicznej promieniowania słońca jest kolektor słoneczny. Jest to wymiennik ciepła służący do zamiany elektromagnetycznej energii promieniowania słonecznego na ciepło. Jego zadaniem jest podgrzanie czynnika roboczego (wody, mieszaniny wody i czynników zabezpieczających przed zamarznięciem lub powietrza) dla celów użytkowych. Z jego pomocą ogrzewać można pomieszczenia, baseny kąpielowe, lub wytwarzać ciepłą wodę użytkową.

Zespoły lub pojedyncze moduły płaskich kolektorów słonecznych są najczęściej wykorzystywane w słonecznych instalacjach do przygotowania ciepłej wody użytkowej, których podstawowym, poza kolektorem, elementem jest zbiornik magazynujący ciepłą wodę.

W Polsce systemy te mogą być stosowane w domach jednorodzinnych, obiektach użyteczności publicznej (szkoły, szpitale), ośrodkach rekreacyjnych, sportowych, schroniskach, jak również do podgrzewania wody w basenach kąpielowych, otwartych i krytych.

Odpowiednie do zapotrzebowania i warunków klimatycznych zaprojektowanie i użytkowanie systemu pozwala na osiągnięcie założonych efektów energetycznych i ekonomicznych. Instalacja słoneczna musi być dostosowana do potrzeb odbiorcy oraz warunków związanych np. z usytuowaniem obiektu mieszkalnego, musi również współgrać z konwencjonalnym systemem grzewczym.

W każdym przypadku, określając potrzebną powierzchnię kolektorów (oraz ich liczbę) należy brać pod uwagę zapotrzebowanie uwarunkowane liczbą osób i przypadające na osobę zużycie ciepłej wody użytkowej, oraz ilość energii docierającej w danym rejonie do kolektora. Zalecane jest projektowanie instalacji słonecznej (czyli przede wszystkim określenie powierzchni kolektorów słonecznych), przy założeniu, że powinna ona pokryć 60-70 procent rocznego zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową (90-100 procent latem).

Wykorzystanie systemu słonecznego do podgrzewania pomieszczeń wymaga znacznie większych powierzchni kolektorów słonecznych niż w przypadku instalacji jedynie do podgrzewania c.w.u., a także bardziej skomplikowanego systemu, co w konsekwencji oznacza znacznie większe nakłady inwestycyjne.

Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych w budynkach mieszkalnych bądź użyteczności publicznej, czyli wytwarzanie energii elektrycznej, jest obecnie inwestycją zbyt kosztowną, aby mogły one wejść do powszechnego użytku. Częściej spotyka się ogniwa słoneczne w budynkach użyteczności publicznej, gdzie są one zintegrowane z architekturą.

Biomasa

Najprostszym sposobem energetycznego wykorzystania biomasy jest jej bezpośrednie spalenie dla uzyskania np. ciepła użytkowego. Możliwa jest też wstępna obróbka biomasy, taka jak brykietowanie lub granulowanie.

Ogólnie biomasę charakteryzuje mała zawartość części niepalnych oraz azotu i siarki, co ogranicza emisję tlenków tych pierwiastków, w porównaniu ze spalaniem paliw kopalnych. Emisja CO₂, wynikająca ze spalania biomasy, jest równoważona przez akumulację węgla w roślinach odrastających w miejscach pozyskania spalonej biomasy, stąd emisja netto CO₂ ze spalania biopaliw jest zerowa.

Ekologiczne, o wysokiej sprawności spalanie biomasy w celach energetycznych odbywa się w kotłach o specjalnej konstrukcji, które charakteryzują się zwiększoną powierzchnią wymiany ciepła i lepszym mieszaniem spalin przy dużych współczynnikach nadmiaru powietrza.

Kotły takie posiadają specjalne komory spalania, wyposażone w ruszty stałe lub ruchome, przygotowane do spalania odpadów drzewnych.

W krajach europejskich coraz większe zastosowanie mają także kotły opalane zrębkami drzewnymi i pastylkami prasowanymi z trocin. Kotły te pozwalają na automatyczne zasilanie w paliwem zasypywanym z silosa. Dom o powierzchni ogrzewanej ok. 100 m² i potrzebach energetycznych 100 kWh/m² rocznie, po przeprowadzeniu ewentualnie koniecznych prac termomodernizacyjnych, można ogrzać zużywając rocznie 10 m³ drewna, spalanego w odpowiednim kotle o sprawności 75 proc.. Ocenia się, że prosty okres kosztów zakupu kotła na drewno, wraz z niezbędną instalacją wynosi 4-5 lat.

Na rynku polskim funkcjonuje ok. 20 producentów i importerów, oferujących zautomatyzowane instalacje kotłowe, opalane odpadami drzewnymi. Rośnie zainteresowanie kotłami małej mocy, wykorzystywanymi na potrzeby gospodarstw i domków indywidualnych. Funkcjonuje ok. 10 producentów niskotemperaturowych kotłów grzewczych małej mocy, 20-80 kW na drewno.

Słoma wykorzystywana do celów energetycznych wchodzi w skład grupy paliw odnawialnych, które wraz z biogazem i biopaliwami płynnymi, tworzą grupę biopaliw.

W Polsce w strukturze produkcji dominują następujące typy słomy:
– zbóż (92,6 proc.),
– roślin oleistych, takich jak rzepak (5,1 proc.),
– roślin strączkowych (2,3 proc.).

Słoma jest paliwem trudnym do prawidłowego spalania. Przy konwencjonalnym spalaniu, podobnym do spalania węgla, sprawność procesu wynosi od zaledwie 35 do 70 proc.. Przyczyną jest niewystarczające wymieszanie paliwa z powietrzem, wskutek czego wiele części palnych nie ulega spalaniu. Warunkiem spalania słomy jest utrzymanie jej wilgotności poniżej 20 proc., najlepiej ok. 15 procent.

Nowoczesne kotły do spalania słomy pozwalają na spalanie słomy i innych biopaliw ze sprawnością 80-90 proc., przy bardzo niskiej emisji gazów.

Szacuje się, że do ogrzania jednego domu jednorodzinnego potrzebne są zbiory słomy z powierzchni ok. 5 ha. Dom, o powierzchni ogrzewanej 100 m² i potrzebach energetycznych 100 kWh/m² na rok, można ogrzać zużywając rocznie 5 ton słomy, przy sprawności kotłów 75 procent.

Kotły na słomę są w większości gospodarstw włączone do sieci centralnego ogrzewania obok tradycyjnego pieca, co pozwala zachować bezpieczeństwo energetyczne na wypadek braku słomy. Takie rozwiązanie jest możliwe w przypadku wystarczająco obszernej kotłowni.

W zabudowie zwartej można budować kotłownie opalane słomą zasilające 2 lub 3 budynki, co obniża jednostkowe koszty inwestycji.

Potencjalnymi użytkownikami ciepłowni średniej i małej mocy mogą być również osiedla wiejskie, szkoły, urzędy gmin, ośrodki zdrowia i inne obiekty. Czynnikiem ograniczającym szerokie zastosowanie słomy jako paliwa są wysokie koszty inwestycyjne – mimo niższych kosztów eksploatacyjnych.

Zastąpienie kotłowni węglowych kotłowniami opalanymi drewnem i słomą spełnia warunki ustawy o wspieraniu przedsięwzięć termomodernizacyjnych i upoważnia do otrzymania kredytu i premii termomodernizacyjnej.

Biorąc pod uwagę możliwość uzyskania korzystnego kredytu na odnawialne źródła energii z Banku Ochrony Środowiska lub z Banku Gospodarstwa Krajowego (na mocy ustawy o wspieraniu inwestycji termomodernizacyjnych) koszty budowy kotłowni opalanej biomasą mogą zwrócić się po ok. 4-5 lat.

Na rynku działa obecnie ok. 10 producentów i importerów kotłów grzewczych opalanych słomą. Ceny kompletnych systemów opalanych słomą są 1,5-2 razy wyższe od opalanych drewnem.

Pompa ciepła

Nazwa “pompa ciepła” oddaje analogię idei funkcjonowania tego urządzenia do pompy wodnej, choć w tym przypadku mamy do czynienia z “pompowaniem” energii (ciepła). Urządzenie to działa na takiej samej zasadzie jak chłodziarka: odbiera energię z ośrodka o niskiej temperaturze i przekazuje ją do ośrodka o temperaturze wyższej (odbiornika).

Pompa ciepła ma za zadanie dostarczyć ciepło do jej źródła górnego, a nie jak w przypadku chłodziarki odebranie ciepła ze źródła dolnego. Pompa ciepła pracuje w innym zakresie temperatur niż lodówka, przez co czynnikom roboczym stawiane są inne wymagania (inne są temperatury parowania i kondensacji).
Pompa ciepła umożliwia pozyskanie ciepła np. z otoczenia i następnie wykorzystanie go na wyższym poziomie temperatury, do celów grzewczych. Transport ciepła z dolnego źródła ciepła do górnego może przebiegać przy wykorzystaniu wielu procesów. Rozróżnia się pompy ciepła z obiegiem parowym, gazowym, a także pompy wykorzystujące efekt termoelektryczny czy magnetyczny lub elektrodyfuzji bądź reakcje chemiczne.

Przekazanie ciepła ze źródła o niższej temperaturze do źródła o wyższej temperaturze wymaga, zgodnie z podstawowymi prawami termodynamiki, dostarczenia dodatkowej energii z zewnątrz (w formie pracy lub ciepła). Większość najbardziej popularnych sprężarkowych parowych pomp ciepła jest napędzana silnikiem elektrycznym.
Najczęstsze zastosowania dla pomp ciepła to:

Ogrzewanie domów jednorodzinnych

Pompy ciepła mają zastosowanie zarówno w powietrznych jak i wodnych systemach ogrzewania. W przypadku ogrzewania domów jednorodzinnych mają moce od kilku do kilkunastu kilowatów na poziomie źródła górnego. Pompy w systemach grzewczych w domach jednorodzinnych są na ogół pompami sprężarkowymi, głównie ze sprężarkami tłokowymi, napędzanymi silnikiem elektrycznym. Większość z nich pobiera ciepło z powietrza atmosferycznego. Często pompy te współpracują z innymi systemami ogrzewania, np. elektrycznym lub centralnym, połączonym szeregowo lub równolegle. Znaczna ich część działa zimą jako ogrzewanie, a latem jako urządzenie klimatyzacyjne. Stosowane są głównie w domach jedno i dwurodzinnych.

Ogrzewanie większych pomieszczeń

Pompami ciepła ogrzewać można osiedla mieszkaniowe (lub przeznaczoną dla tych osiedli wodę), biurowce, obiekty sportowe, magazyny, hale przemysłowe.

Podgrzewanie wody w basenach kąpielowych

Dla mniejszych basenów stosowane są pompy o zwartej (kompaktowej) budowie. Zazwyczaj są to pompy sprężarkowe, ze sprężarkami tłokowymi. Źródłem dolnym może być w takich przypadkach powietrze atmosferyczne oraz wody powierzchniowe i podziemne.

Możliwe jest również efektywne, podwójne wykorzystanie chłodziarki, gdy istnieje jednoczesne zapotrzebowanie na ciepło i zimno np. gdy obok podgrzewanego basenu znajduje się lodowisko lub gdy w pływalni wilgotność powietrza obniżana jest za pomocą skraplania, a jednocześnie potrzebne jest ciepło do ogrzewania hali lub basenu kąpielowego.

Efektywność działania pompy ciepła zależy od właściwego dobrania jej typu do warunków, w których pracuje. Warunki te określone są poprzez parametry dolnego i górnego źródła ciepła, oraz ich zmiany w czasie. Właściwe dopasowanie dolnego źródła do rodzaju odbiorcy i do wielkości zapotrzebowania na ciepło w określonym czasie decyduje o wydajności grzewczej pompy (wielkości współczynnika wydajności cieplnej), a w efekcie o mniejszym zużyciu energii napędowej sprężarki, czyli w konsekwencji o niższych kosztach eksploatacyjnych.

Dolne źródło ciepła dostarcza do parownika pompy energię niezbędną do zmiany stanu skupienia czynnika roboczego (odparowanie). Dolne źródło ciepła jest źródłem niskotemperaturowym. Bardzo często do określenia w sposób uproszczony rodzaju medium (czynnika) górnego i dolnego źródła ciepła stosuje się takie nazwy jak: pompa ciepła typu woda – woda, grunt – woda, powietrze – woda itp.

Nazwy te opisują odpowiednio rodzaj ośrodka dolnego, z którego ciepło jest pobierane, oraz (po “przetrasformatowaniu” na wyższy poziom temperatury) rodzaj drugiego, górnego ośrodka, do którego ciepło jest oddawane, czyli z reguły rodzaj obiegu grzewczego. Bardziej szczegółowy podział dolnych źródeł ciepła przedstawia się w następująco:

źródła odnawialne, np:
– powietrze zewnętrzne,
– wody powierzchniowe (rzeki, jeziora, stawy),
– wody gruntowe,
– wody geotermalne,
– grunt,
– promieniowanie słoneczne,
– źródła wewnętrzne, zwane odpadowymi, np: powietrze i gazy odlotowe, woda odpadowa, ścieki, woda chłodnicza.

W przypadku systemów grzewczych w budownictwie jednorodzinnym stosuje się przeważnie pompy ciepła wykorzystujące źródła odnawialne jako dolne źródło ciepła.

Dolne źródło ciepła powinno charakteryzować się następującymi właściwościami:
– dużą pojemnością cieplną,
– możliwie wysoką i stałą w czasie temperaturą,
– łatwą dostępnością,
– odbiorem ciepła nie zakłócającym naturalnego stanu źródła,
– brakiem zanieczyszczeń, które mogłyby spowodować uszkodzenie elementów parownika,
– niskimi kosztami wykonania instalacji (ujęcia).

Rysunek pokazuje możliwe źródła ciepła dla pompy ciepła, przeznaczonej do ogrzewania pomieszczeń.

Wentylacja z odzyskiem ciepła.

Wraz z powietrzem usuwanym z budynku traci się od 30 do 60 proc. energii zużywanej zimą na ogrzewanie. Znaczną część tej energii można odzyskać stosując rekuperatory.

Typowe centrale wentylacyjne nawiewno-wywiewne wyposażone są w dwa wentylatory odpowiedzialne za zapewnienie przepływu powietrza. Elementem decydującym o atrakcyjności energetycznej omawianych urządzeń jest wymiennik ciepła, w którym przez większą część roku powietrze czerpane z zewnątrz ogrzewa się, pobierając ciepło z powietrza usuwanego z pomieszczenia.

W odniesieniu do budownictwa mieszkaniowego największą popularność zdobyły proste i relatywnie tanie wymienniki płytowe o krzyżowym przepływie powietrza. Pomiędzy kolejnymi warstwami płyt przepływa na przemian powietrze czerpane z zewnątrz oraz powietrze usuwane z pomieszczenia. Sprawność temperaturowa odzyskiwania ciepła dla wymienników tego typu wynosi ok. 60-65 proc., a w przypadku zastosowania podwójnego wymiennika zwiększa się do ok. 90 procent.

Systemy wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła nie są przeznaczone do całkowitego pokrywania strat ciepła budynku, czyli do pełnienia funkcji ogrzewania powietrznego. Podgrzewając powietrze nawiewane do pomieszczeń są jednak w stanie bardzo istotnie ograniczyć ilość ciepła zużywaną przez system ogrzewania. Urządzenia wentylacji mechanicznej stwarzają też możliwość filtracji powietrza dostarczanego z zewnątrz do pomieszczenia.

autorzy: prof. dr hab. inż Tadeusz Skoczkowski i Marta Mazurkiewicz

źródło: Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A.