mgr inż. Andrzej Jurkiewicz z zespołem – "Poradnik dla audytorów energetycznych"

Wstęp

Celem, który postawiliśmy sobie jako autorzy tego poradnika–skryptu, jest nie tylko przedstawienie metodyki wykonywania audytów energetycznych, czy świadectw charakterystyk energetycznych, lecz także wprowadzenie, zwłaszcza początkującego audytora energetycznego, w dziedzinę najważniejszych pojęć i zjawisk, które spotykamy w szeroko pojętej wiedzy związanej z energią.

Zawód „audytora energetycznego” nie doczekał się jeszcze oficjalne swojej nazwy i „umocowania prawnego” w Polsce (czekamy, Panie Ministrze, czekamy!). Uważamy, jednak, że niezależnie od tego, czy taki zawód powstanie formalnie, czy też nie, już w niedalekiej przyszłości, stanie się on jednym z ważniejszych zawodów w świecie (w większości krajów UE zawód ten już istnieje i to często od wielu lat).

Kim wobec tego jest (powinien być) audytor energetyczny? Niewątpliwie zawód ten jest zawodem z dziedziny interdyscyplinarnych, gdyż audytor energetyczny powinien być, „po trosze”:

1) budowlańcem, gdyż musi poznać fizykę budowli i większość technologii budowlanych

2) ekonomistą i bankowcem, gdyż musi umieć wykonać analizy opłacalności przedsięwzięć termomodernizacyjnych i inwestycji energetycznych, a także znać i zaproponować źródła sfinansowania takich przedsięwzięć

3) fizykiem, gdyż musi poznać zasady termodynamiki, elektromagnetyzmu, fizykę materii i procesów fizycznych

4) chemikiem, gdyż musi znać podstawowe właściwości pierwiastków chemicznych, zasady tworzenia się związków chemicznych oraz ich właściwości, przebieg reakcji chemicznych i ich skutków, procesy towarzyszące gazom, cieczom i ciałom stałym

5) ciepłownikiem i gazownikiem, gdyż powinien dokładnie znać techniki i metody ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji stosowanych w obiektach budowlanych

6) elektroenergetykiem, gdyż energia elektryczna to najważniejszy rodzaj energii w dzisiejszym świecie,

7) prawie specjalistą w dziedzinie ochrony środowiska, gdyż często koniecznym będzie znajomość i obliczenie wielkości i kosztów emisji zanieczyszczeń, a także podanie metody walki z tymi zanieczyszczeniami,

8) prawnikiem, gdyż musi znać większość aktów prawnych związanych z szeroko pojętą energetyką, ochroną środowiska i prawem budowlanym,

9) prawie projektantem, gdyż audyt energetyczny jest często wstępem do projektu budowlanego, a tzw. charakterystyka energetyczna budynku jest wręcz częścią takiego projektu…,

a także powinien „orientować” się w szeregu innych specjalnościach, których znajomość pomaga w wykonywaniu tego zawodu np. rolnictwo (np. uprawy energetyczne), BHP i ppoż., technologie przemysłowe, nowe technologie i trendy w dziedzinie wytwarzania i użytkowania energii.

Często bywa tak, że audyt energetyczny jest wstępem do opracowania innych dokumentów (studium wykonalności projektu, wniosek kredytowy, projekt techniczny budowlany, aplikacja po środki UE, wytyczne do doboru linii przemysłowych, ekspertyza techniczna, akty kupna–sprzedaży obiektów itp.), dlatego odpowiedzialność audytora za przyjęte rozwiązania i wyliczone wielkości zużycia energii (lub jej oszczędności) jest bardzo duża i często rzutuje na „jakość” tych „innych dokumentów”.

Spróbujemy w tym skrypcie przedstawić podstawowy zakres wiedzy, które spotkamy przy uprawianiu tego zawodu. Większość tematów i zagadnień poparta będzie przykładami rozwiązań praktycznych.

Przyjęta forma podręcznika to cykl wykładów, które prezentujemy w trakcie organizowanych kursów lub studiów podyplomowych z dziedziny audytu energetycznego. Każdy z wykładów kończy się krótkim „zestawem pytań” dotyczącym przedstawionego materiału. Niektóre pytania wykraczają jednak poza zakres przedstawiony w wykładzie; jest to próba wskazania problemów, które wymagają samodzielnej pracy, albo mają sprowokować dyskusję ze Słuchaczami wykładu (w tym wypadku Czytelnika).

Przy okazji omawiana poszczególnych tematów zapoznamy Czytelnika z metodyką wykonywania zarówno audytów energetycznych, jak i świadectw energetycznych.

Nie planujemy, aby ten podręcznik–skrypt był rozprowadzany w formie pisemnej, gdyż mamy zamiar rozpowszechniać go z użyciem internetu. Ewentualne przedruki i korzystanie z informacji zawartych w tym podręczniku nie stanowią naruszenia praw autorskich – uważamy, bowiem, że sam fakt propagowania wiedzy o oszczędzaniu energii jest bezcenny, więc nie widzimy potrzeby, aby tą wiedzę wyceniać.

Będziemy wdzięczni Szanownym Czytelnikom za wszelkie uwagi i wskazówki, co do zawartości i formy tego skryptu. Przepraszamy jednocześnie za błędy, których często nie można uniknąć, biorąc pod uwagę zakres, różnorodność poruszanych tematów, a także naszą niepełną wiedzę w niektórych dziedzinach.

W imieniu autorów:

Andrzej Jurkiewicz,

Do spisu treści

Wykład 1: Najczystszą formę energii ma energia niezużywana.

Prowadzący: Andrzej Jurkiewicz

Teza: Oszczędność energii to potrzeba i konieczność współczesnego świata.

Prawdę z tezy tego wykładu zauważono już wiele lat temu. Kolejne kryzysy gospodarcze, czy energetyczne podkreślały aktualność tego stwierdzenia. Obecnie współczesna gospodarka ponownie przeżywa kryzys finansowy, którego konsekwencją jest kryzys gospodarczy i energetyczny. Takie kryzysy, oprócz niewątpliwych strat, wyzwalają także konieczność poszukiwania niekonwencjonalnych i często nieznanych metod na walkę z ich skutkami.

W przypadku energii dochodzi nam jeszcze mało przewidywalne wahanie cen paliw, z których ją produkujemy, zanieczyszczenie środowiska powodowane przy produkcji tej energii (i niemałe koszty tego zanieczyszczenia), a wreszcie stale rosnący poziom konsumpcji i wzrost oczekiwań odbiorców energii, co do jakości i ceny tej energii. Wymaga to od nas stosowania oszczędnych energetycznie technik i technologii, a także metodyczne i świadome oszczędzanie tej energii na każdym etapie naszego funkcjonowania, jako mieszkańców tego globu.

Minimalizacja zużycia energii jest często ważniejsza od ceny tej energii. Dla przykładu: tradycyjny budynek w Polsce zużywa 0,7 GJ energii cieplnej na 1m² powierzchni użytkowej na rok, a budynek pasywny nie więcej niż 0,1 GJ/m²/rok… siedmiokrotnie mniej!!! Czy w wypadku budynku pasywnego będzie nasz tak bardzo interesowała cena 1 GJ energii?

Raczej nie… bardziej będziemy zainteresowani, jaki będzie koszt inwestycyjny uzyskania takiego małego zapotrzebowania na ciepło. a jeżeli się okazuje, że można wybudować budynek pasywny w cenie praktycznie takiej samej, jak budynek tradycyjny?…

Jak to zrobić? i czy jest to możliwe?… Wyjaśnię w wykładzie na temat budownictwa pasywnego.

Oszczędzanie energii często nie wymaga poważniejszych nakładów finansowych, a w skrajnym przypadku, inwestycje w oszczędzanie są „bezinwestycyjne”; sama wiedza o metodach oszczędzania często wystarcza, aby uzyskać wymierny efekt w postaci zmniejszenia zużycia energii.

Przykład: wietrzenie mieszkania czy pokoju biurowego.

Celem wietrzenia jest wymiana powietrza zużytego na świeże. Można to osiągnąć wieloma sposobami, ale zastanówmy się, który z proponowanych sposobów wietrzenia będzie najbardziej oszczędny z punktu widzenia zużytej energii cieplnej.

W sezonie grzewczym, gdy na dworze jest niska temperatura, proponuję, aby „metodyka” wietrzenia pomieszczeń była następująca:

1) Na 15–20 minut przed wietrzeniem zakręcamy zawory termostatyczne (zakładamy, że są) w pomieszczeniu

2) Otwieramy na oścież okno lub balkon i zamykamy za sobą drzwi do pokoju (będzie zimno, więc lepiej wyjść z pomieszczenia)

3) Wracamy po 4–5 minutach i zamykamy okno (balkon).

4) Po 15–20 minutach odkręcamy zawory grzejnikowe.

Czym różni się takie wietrzenie od np. zostawienia lufcika, lub lekko uchylonego okna, na dłuższy czas?

Różnica jest zasadnicza. W pokoju, gdzie utrzymujemy temperaturę powietrza na poziomie 19÷22°C, przy zamkniętych oknach, przegrody budowlane (ściany, podłoga, strop) oraz meble i urządzenia, mają także temperaturę zbliżoną do tej temperatury.

Jeżeli przyjmiemy, że celem wietrzenia jest wymiana powietrza na świeże, to w efekcie krótkotrwałego, ale intensywnego wietrzenia, całe zużyte powietrze zostanie szybko zastąpione przez świeże. Tak krótkotrwałe otwarcie okien nie spowoduje jednak zbytniego wyziębienia przegród oraz mebli i urządzeń w pokoju. Po zamknięciu okien te „rozgrzane” przegrody i wyposażenie zaczną bardzo szybko ogrzewać świeże powietrze w pomieszczeniu. Długotrwałe otwarcie lufcika lub lekkie uchylenie okna, spowoduje natomiast, że wymiana powietrza będzie bardzo powolna, a przegrody zostaną skutecznie „wystudzone” przez chłodne powietrze wolno napływające do pomieszczenia; nie dość, że źle przewietrzymy pomieszczenie, to jeszcze wychłodzimy przegrody i wyposażenie w tym pokoju. Po zamknięciu okna będziemy musieli nagrzać nie tylko powietrze, ale także wszystkie wychłodzone przegrody i wyposażenie w pokoju.

Po co jednak zakręciliśmy dodatkowo zawory grzejnikowe przed wietrzeniem? Pozostawienie odkręconych zaworów w czasie wietrzenia spowoduje pełne otwarcie się zaworu termostatycznego i intensywne pobieranie ciepła przez grzejnik, omywanego zimnym powietrzem. Ciepło to jednak będzie bezpowrotnie stracone, gdyż „ucieknie” nam wraz z powietrzem wymienianym.

A dlaczego mamy odkręcić zawór termostatyczny dopiero po 15÷20 minutach od momentu zamknięcia okien w przewietrzanym pokoju?… Dlatego, że wstępnie chcemy wykorzystać głównie ciepło zakumulowane w przegrodach i wyposażeniu, a dopiero potem zaczniemy ogrzewać pomieszczenie grzejnikiem.

Jaką uzyskamy oszczędność przy tym sposobie wietrzenia pomieszczeń? Trudno to dokładnie wyliczyć, ale myślę, że ok. 2÷3% energii zaoszczędzimy, w porównaniu z wietrzeniem metodą „uchylonego lufcika”.

Jak widać, tak prosta czynność, jakim jest „wietrzenie pokoju”, stwarza sporo możliwości i ciekawych problemów do omówienia. Podobne informacje i stosowane rozwiązania przedstawimy Państwu w trakcie prowadzenia tych wykładów, a z autopsji wiem, że wiele pomysłów rodzi się nawet w trakcie omawiania jakiegoś problemu. Dzieje się tak wtedy, kiedy postanowimy podzielić się naszą wiedzą i doświadczeniem z innymi i… nauczymy się słuchać tego, co inni mają do powiedzenia.

Czy zaoszczędzone 2÷3% energii, w czasie wietrzenia pokoi, to dużo?… Może niewiele, ale ma jedną przewagę nad innymi metodami: po prostu nic nie kosztuje… poza wiedzą.

Dodam tylko, że jeżeli popatrzmy na te nasze zaoszczędzone 2% od strony np. zaoszczędzonego paliwa w ciepłowni miejskiej, to się okaże, że to już nie będzie 2%, ale często dwa razy więcej; dochodzą nam, bowiem, sprawności związane z dostarczaniem energii do naszego grzejnika, czyli: sprawność źródła, starta sieci przesyłowych, starta instalacji wewnętrznej oraz starta regulacyjna. W jednym z następnych wykładów wyliczymy sprawność całkowitą tradycyjnego systemu miejskiego w Polsce (opartego o węgiel) i udowodnimy, że często sprawność ta spada poniżej 50% energii chemicznej zużytego paliwa… tak, więc z naszych 2%, robi się 4%!!!

Jeżeli zaproponowałbym dostawcom ciepła, że zdradzę im metodę na bezinwestycyjne zaoszczędzenie w ich źródłach 4% paliwa, to chyba bym zasłużył na nagrodę Nobla…

Pytanie tylko, czy taki dostawca byłby zachwycony moją metodą? Widzicie gdzie tkwi problem?… w konflikcie interesów!!! Te 4% zaoszczędzonej energii w paliwie to jednocześnie, co najmniej 2% mniejsza sprzedaż dla dostawcy… Siedzimy po różnych stronach barykady: odbiorca chce oszczędzać energię, a dostawca chce jej sprzedawać jak najwięcej i jak najdrożej.

Czy można zażegnać ten konflikt? Czy można stanąć po tej samej stronie barykady? Otóż można (a nawet trzeba); po prostu dostawca musi być także zainteresowany (także finansowo!!!) w tym, aby odbiorca energii zużywał jej jak najmniej. Niemożliwe? Okazuje się, że jest to możliwe i bardzo opłacalne dla obu stron, ale o tym opowiem przy okazji omawiania kontraktów ESCO i tzw. „białych certyfikatów”.

Unia Europejska, w marcu 2007 roku, wyznaczyła krajom członkowskim cele związane z ochroną klimatu, nazwane Pakietem 3x20. Pakiet ten związany jest ze zmniejszeniem obciążenia środowiska (walka z globalnym ociepleniem… zresztą kontrowersyjny temat i proponowane metody walki) i z oszczędzaniem energii. Łatwo zapamiętać, czego dotyczy ten pakiet, bo składa się on z samych „dwudziestek”: do 2020 roku kraje UE mają obniżyć emisję CO2 o 20%, zwiększyć udział odnawialnych źródeł energii o 20% i spowodować oszczędność zużywanej energii o 20%.

Nas najbardziej będzie interesowała ta ostatnia „dwudziestka”, ale nie zapomnimy także o pozostałych dwóch (zresztą wszystkie trzy „dwudziestki” są mocno z sobą powiązane). Pakiet, w przypadku Polski, budzi dużo kontrowersji wśród polityków, gdyż jest on trudny do spełnienia.
Czy możemy pomóc Polsce w wypełnieniu tego zobowiązania?
Każdy z nas może pomóc… i to często bezinwestycyjnie; sparafrazuję klasyka: „Nie pytaj, co Polska i Świat może zrobić dla Ciebie, zapytaj, co Ty możesz zrobić dla Polski i Świata” (nawiasem mówiąc ten klasyk to przywódca największego gospodarczo kraju, który nie podpisał żadnego protokołu dotyczącego ograniczenia emisji zanieczyszczeń na świecie…)

Pytania do wykładu.

1. Co to jest Pakiet 3x20 i jakie cele stawia przed członkami UE?

2. Wymień główne cele Dyrektywy o charakterystyce energetycznej

3. Dlaczego zawód audytora jest zawodem interdyscyplinarnym?

4. Czy wiesz, co to jest „biały certyfikat”?

Do spisu treści

Wykład 2: Program termomodernizacji budynku wspólnoty mieszkaniowej

Prowadzący: Andrzej Jurkiewicz

Teza: Nie zawsze pieniądze są najważniejsze, czasem wystarczy pomysł.

Przypatrzmy się naszej polskiej Ustawie o wspieraniu termomodernizacji i remontów (Ustawa z 11 listopada 2008 roku). Ustawa ta weszła w życie 19 marca 2009 roku i zastąpiła Ustawę o wspieraniu przedsięwzięć termomodernizacyjnych z 1998 roku.

Jak skorzystać z dobrodziejstw tej Ustawy i jednocześnie pomóc Polsce w spełnieniu wymagań Pakietu 3x20?

Spróbujmy wykonać program termomodernizacyjny, z wykorzystaniem możliwości otrzymania kredytu bankowego na jego sfinansowanie zgodnie z wymogami tej ustawy. Jednym z głównych argumentów do realizacji programu jest możliwość otrzymania tzw. premii termomodernizacyjnej w wysokości do 20% wartości zaciągniętego kredytu; premię tą wypłaci nam Bank Gospodarstwa Krajowego po zakończeniu termomodernizacji.

Wyobraźmy sobie, że mieszkamy w środkowej części Polski, w niewielkim mieście, w budynku Wspólnoty Mieszkaniowej „Zaniedbany Dom”. Budynek czterokondygnacyjny, dwu klatkowy, podpiwniczony bez poddasza użytkowego (tzw. stropodach); ma 40 mieszkań po 50m² każde (2000m² powierzchni użytkowej mieszkań). Budynek zasłużył na swoja nazwę, gdyż przeżył już trochę lat i wybudowany został w latach 60–tych ubiegłego wieku. Wcześniej był to budynek komunalny, ale od 2002 roku, po sprzedaży części mieszkań przez Gminę, właścicielem budynku stała się Wspólnota Mieszkaniowa. Budynek jest bardzo zaniedbany: odpadający tynk, cieknący dach, kiepskie okna i drzwi na klatkach schodowych. Mieszkania w budynku, piwnica i klatki schodowe ogrzewane są z miejskiej ciepłowni węglowej eksploatowanej przez Gminną Spółkę Ciepłowniczą. Nasz budynek zasilany jest z przestarzałego węzła cieplnego zamontowanego w piwnicy. Energia cieplna rozliczana jest poprzez wskazania licznika ciepła zamontowanego w tym węźle. Instalacja centralnego ogrzewania jest przestarzała; nie działają zawory grzejnikowe, jest bardzo zanieczyszczona i często się zapowietrza. Część mieszkań jest niedogrzanych, stwierdzono nawet przemarzanie ścian, a w niektórych mieszkaniach pojawiły się grzyb i pleśń.
Koszty ponoszone na ogrzewanie budynku są stosunkowo wysokie i wynoszą średniomiesięcznie 3,50 zł/m² powierzchni użytkowej. Od 2004 roku Wspólnota gromadzi środki na funduszu remontowym. Stawka uchwalona przez Wspólnotę na ten fundusz wynosi 1,00 zł/m²/miesiąc. Z funduszu tego Wspólnota finansowała jedynie bieżące niewielkie remonty budynku, więc na koniec 2007 roku stan tego funduszu remontowego był stosunkowo wysoki i przekraczał 50.000 zł.

Takie lub podobne budynki stanowią swoisty „standard” w naszym kraju. Z punktu widzenia zużycia energii, a w zasadzie norm, które określały tzw. współczynniki przenikania przegród budowlanych, budynki wybudowane w latach powojennych do 1984 praktycznie niewiele się różniły; współczynnik ten zmieniał się od 1,4 do 1,1 W/m²·K i był często ponad cztery razy większy niż obecnie wymagany (0,3 W/m²·K).

Poziom zużycia energii w takich budynkach mocno zależy od jakości izolacji przegród budowlanych, a ta z kolei uzależniona była od norm i wymogów prawnych, które obowiązywały w czasie, gdy taki budynek powstawał (przykładowo nasz budynek ma mury z cegły o grubości 36 cm i jego U wynosi ok. 1,4 W/m²·K).

Drugim elementem, który wpływa na koszty ogrzewania jest instalacja grzewcza. Brak możliwości regulacji ilością dostarczanego ciepła nie tylko do budynku, ale także do poszczególnych mieszkań i pokoi, powoduje, że gdy jedne pokoje są przegrzewane, to z kolei w innych, występuje częste niedogrzanie. Zawory grzejnikowe są przestarzałe, a próba ich przestawienia, albo jest w ogóle niemożliwa, albo kończy się przeciekiem z dławika zaworu. Dodatkowo instalacja wyposażona jest w centralne odpowietrzenie i zabezpieczona jest tzw. „otwartym naczyniem wzbiorczym”, co jest kolejną przyczyną małej sprawności całej instalacji (szacujemy, że sprawność ta nie przekracza 75%).

Dodatkowo sporo ciepła tracimy na ogrzewanych klatkach schodowych i w piwnicach, z uwagi na zły stan stolarki okiennej, oraz drzwi wejściowych.

Zarząd Wspólnoty postanowił poprawić standard budynku i obniżyć koszty jego ogrzewania i zaproponował, aby nasza Wspólnota „Zaniedbany Dom”, przystąpiła do remontu budynku, ale z wykorzystaniem wspomnianej ustawy o wspieraniu termomodernizacji i remontów. Taki program termomodernizacyjny, do którego może przystąpić Wspólnota ma kilka zalet, ale i wymagań.

Zacznijmy od zalet:

1) ustawa „termomdernizacyjna” umożliwia otrzymanie do 20% premii termomodernizacyjnej od wartości wykorzystanego kredytu, który Wspólnota zaciągnie w wybranym przez siebie banku

2) spłata kredytu nastąpić powinna z uzyskanych oszczędności na zużyciu energii cieplnej oraz istniejącego funduszu remontowego, czyli nie przewidujemy wzrostów kosztów utrzymania mieszkań (przed i po remoncie koszt ten powinien być taki sam, lub nawet niższy)

3) budynek Wspólnoty zostanie poddany kompleksowemu remontowi obejmującemu:

– dociepleniu wszystkich ścian budynku wraz z wykonaniem nowej kolorowej elewacji

– wykonanie remontu pokrycia dachu wraz z dociepleniem stropodachu (metodą wdmuchiwanego granulatu z wełny mineralnej lub „Ekofiberem”, czyli odpowiednio preparowanego granulatu z makulatury)

– wymianę stolarki okiennej wraz ze zmniejszeniem powierzchni przeszklenia w klatkach schodowych

– wymianę okien w piwnicach

– wymianę drzwi wejściowych

– płukanie chemiczne instalacji centralnego ogrzewania, montaż zaworów termostatycznych, montaż zaworów regulacyjnych podpionowych, likwidacja centralnego odpowietrzania i montaż indywidualnych odpowietrzników na pionach zasilających, likwidacja części grzejników w klatkach i piwnicach

– wykonanie nowego węzła cieplnego dla wprowadzenia indywidualnego programu ogrzewania budynku, wraz z likwidacją otwartego zbiornika wyrównawczego (wprowadzamy zamknięte zabezpieczenie instalacji z wykorzystaniem tzw. ciśnieniowego zbiornika przeponowego popularnie zwanego Refleksem)

– wymianę rynien i wszystkich obróbek blacharskich, wraz z remontem kominów na dachu budynku

– montaż nowych podokienników (parapetów zewnętrznych)

– montaż nawiewników higrosterowalnych w mieszkaniach, w których zostały wymienione okna (na koszt właściciela mieszkania)

– montaż nowej instalacji odgromowej

– montaż instalacji zbiorczej RTV i sieci komputerowej

– malowanie klatek schodowych

4) Kredyt powinien być zabezpieczony jedynie w formie prawa do dysponowania środkami gromadzonymi na funduszu remontowych (nie przewiduje się żadnych poręczeń, ubezpieczeń kredytu, zastawów hipotecznych, czy weksli Zarządu lub Członków Wspólnoty)

5) 70% wpłat na fundusz remontowy powinno wystarczyć na pokrycie rat i odsetek, czyli pełną obsługę kredytu (pozostałe 30% pozostanie w dyspozycji Wspólnoty i będzie formą dodatkowego zabezpieczenia dla banku)

6) Przewidujemy, że spadnie nam koszt utrzymania mieszkań; obecne koszty te wynoszą 4,5 zł/m²/miesiąc (3,5 zł na ogrzewanie + 1 zł na fundusz remontowy), a zakładamy, że po wykonaniu programu spadną nam koszty ogrzewania przy jednoczesnym wzroście wpłat na fundusz remontowy, z którego spłacać będziemy kredyt. Przewidujemy, że po wykonaniu kompleksowej termomodernizacji, koszt ogrzewania spadnie do poziomu 2,0 zł/m²/miesiąc, a jednocześnie stawka funduszu remontowego, wzrośnie do poziomu 2,3 zł/m²/miesiąc. W ten sposób koszty utrzymania naszych mieszkań spadną o 20 gr/m²/miesiąc.

Teraz wymagania, które musi spełnić Wspólnota, jako kredytobiorca:

1. Musimy podjąć uchwałę o przystąpieniu do programu (projekt takiej uchwały przedstawiam w Załączniku nr 1) zgodnie z wymogami Ustawy o własności lokali oraz wytycznymi banku (każdy bank ma swój projekt takiej uchwały, dlatego „bezpieczniej” jest ustalić jej treść z przedstawicielem wybranego banku).

2. Musimy zlecić wykonanie audytu energetycznego i ustalić z audytorem zakres termomodernizacji. Audyt staje się załącznikiem do naszej umowy zawartej z bankiem i podlega tzw. weryfikacji przez BGK (po pozytywnej weryfikacji otrzymujemy z BGK informację o wysokości przyznanej premii w formie tzw. promesy premii termomodernizacyjnej)

3. Koszty audyty i projektu budowlanego pokryjemy ze środków własnych (koszt tej dokumentacji to kwota ok. 12.000 zł) i będzie to nasz wkład własny do tej inwestycji. Pozostałe 38.000 zł zatrzymamy sobie jako środki na wydatki inne, niezwiązane z termomodernzacją (np. malowanie klatek, instalacja RTV) i jako środki rezerwowe.

4. Czas trwania umowy kredytowej nie powinien przekraczać 15–tu lat (w zasadzie nie ma limitu czasowego trwania tej umowy i zależy to od woli Wspólnoty i banku)

5. Musimy zakończyć program termomodernizacyjny w terminie ustalonym w umowie z bankiem, przy czym przewidujemy, że prace termomodernizacyjnej będą prowadzone od kwietnia do października 2011 roku (w umowie z Bankiem lepiej podać dłuższy termin zakończenia prac, np. koniec roku, gdyż często coś nam niespodziewanego może wypaść i możemy stracić prawo do premii).

Poniżej podaję koszty jednostkowe wykonania prac dla działań termomodernizacyjnych które przyjmujemy przy realizacji typowych programów termomodernizacyjnych (poziom cen z roku 2009, do których dodaliśmy 7% VAT–u):

1. Koszt ocieplenia 1m² (14 cm styropianu), wraz z nowymi rynnami, podokiennikami, obróbkami: 160–200 zł/m²

2. Koszt utylizacji azbestu (wchodzi w program!!!): 40–60 zł/m²

3. Koszt wymiany okien na klatkach: 450–550 zł/m²

4. Częściowe zamurowanie okien w klatce (ścianka z Ytongu): 250–300 zł/m²

5. Koszt wymiany okien w piwnicy i na strychu (małe okna): 900–1000 zł/m²

6. Koszt wymiany drzwi wejściowych: 1000–1400 zł/m²

7. Koszt ocieplenia stropodachu (granulat): 40–50 zł/m² + koszt remontu dachu (2 x papa termozgrzewalna): 80–100 zł/m²

8. Ocieplenie dachu styropapą wraz z remontem dachu: 120–160 zł/m²

9. Koszt montażu zaworów termostatycznych (wraz z płukaniem instalacji): 150–200 zł/grzejnik

10. Koszt montażu zaworów podpionowych: 500–600 zł/punkt (pion zasilający i powrotny liczymy jako jeden punkt)

11. Koszt wymiany instalacji centralnego ogrzewania (piony, poziomy, grzejniki): 1200–1500 zł/grzejnik

12. Koszt modernizacji węzła o mocy 250 kW: 40.000 zł

13. Koszt audytu: 3000 zł

14. Koszt projektu budowlanego: 4000 zł

15. Koszt projektu instalacyjnego (węzeł + dobór zaworów termostatycznych i podpionowych): 5000 zł

Pamiętajmy, że ceny robót budowlanych i instalacyjnych podane zostały z 7% podatkiem VAT, lecz w przypadku innych obiektów niż budynki mieszkalne, VAT wyniesie 22% i wtedy ceny należy podnieść o ok. 15% (dla szkół, urzędów, obiektów kultu, szpitali itp.)

W/w ceny są cenami przyjmowanymi w audytach energetycznych. Rzeczywiste koszty termomodernizacji określone zostaną po wykonaniu projektów budowlanych i ogłoszeniu przetargów na wyłonienie wykonawców robot. W kosztach powinniśmy też uwzględnić nadzór inwestorski ok. 2% oraz prowizje bankowe od 0,5 do 1,5% wartości inwestycji (razem 10.000–15.000 zł)

Wszystkie w/w prace (łącznie z kosztami dokumentacji i nadzoru) możemy uwzględnić w audycie energetycznym.
Łączny koszt programu (bez poz. 2, 8, 11) oszacowaliśmy wstępnie na 400.000 zł i na taką kwotę przygotowaliśmy uchwałę wspólnoty, oraz wystąpiliśmy o kredyt w banku.
Tutaj uwaga praktyczna: lepiej przyjąć w wycenach prac wyższe ceny, aby nie zabrakło nam środków na realizację programu; jeżeli po przetargach kwota będzie niższa, to po prostu weźmiemy mniejszy kredyt.
Nie jest też przestępstwem brać kredyt w pełnej możliwej wysokości, w celu uzyskania większej premii, a wolnymi środkami własnymi spłacić od razu część kredytu po zakończeniu prac i otrzymaniu premii.

Jaką premię otrzymamy?

Ustawa o wspieraniu termomodernizacji i remontów, mówi tutaj o konieczności wyznaczenia najmniejszej kwoty z trzech wyliczanych w audytach w następujący sposób:

1) 16% wartości inwestycji; czyli w naszym przypadku = 64.000 zł

2) 20% wartości kredytu, czyli 0,2·385.000 (15.000 to wkład własny) = 77.000 zł

3) dwuletnia oszczędność na energii:
50% oszczędności·3,5 zł/m²/m–c·2000m²·12 m–cy ·2 lata = 84.000 zł

Premia wyniesie, więc prawdopodobnie ok. 64.000 zł… dokładną jej kwotę ustali audyt energetyczny.

W Załączniku 2 przedstawiam pełny harmonogram realizacji programu z rozpisaniem na poszczególne jego etapy.

W Załączniku 3 przedstawiam projekt umowy na tzw. pełne zastępstwo inwestycyjne.

Po realizacji programu, Wspólnota nasza powinna podjąć uchwałę o zmianie nazwy Wspólnoty z „Zaniedbany Dom” na „Zadbany Dom”

Czy pomogliśmy Polsce w spełnieniu zobowiązań wynikających z zapisów Pakietu 3x20? Policzmy. Z naszego doświadczenia wiemy, że taki program powoduje zmniejszenie zużycia energii na poziomie 40–60%; przyjmiemy 50%. Zużycie ciepła przed termomodernizacją wynosiło 1,0 GJ/m²/rok… po termomodernizacji wyniesie 0,5 GJ/m²/rok. 2000 m²·0,5GJ = 1000 GJ zaoszczędzonej energii w roku. Chcąc uwzględnić jeszcze sprawność kotłowni miejskiej i sieci ciepłowniczej możemy wymnożyć ilość GJ przez wskaźnik 1,3 (wskaźnik ten, podawany jest w rozporządzeniu o metodyce wykonywania charakterystyk energetycznych). W ciągu roku zaoszczędzimy, więc ok. 1300 GJ energii chemicznej w paliwie spalonym w kotle w miejskiej ciepłowni. Przyjmując, że ciepłownia miejska opalana jest miałem energetycznym o wartości opałowej wynoszącej 22 GJ/tonę, okazuje się, że zaoszczędzimy ok. 60 ton węgla w roku… 60 ton niespalonego węgla, dzięki samospłacającej się inwestycji, na jednym, i to wcale nie największym, budynku!!! Niezły wynik. Na jedno mieszkanie wychodzi oszczędność na poziomie 1,5 t węgla.

Jak wyglądać będą koszty naszego ogrzewania?

Roczne koszty ogrzewania budynku przed termomodernizacją wynosiły: 2000m²·3,5zł/m²/m–c·12m–cy = 84.000 zł
Po termomodernizacji spadną do poziomu: 2000 m²·2 zł/m²/m–c·12 m–cy = 48.000 zł

Zapytacie pewnie, czemu biorę do wyliczeń 2 zł/m² skoro 50% z 3,5 zł/m² daje 1,75 zł/m²?
Z dwóch, co najmniej, powodów:

1) nigdy nie wiemy dokładnie ile tak naprawdę zaoszczędzimy energii, gdyż w audytach energetycznych przyjmujemy jakieś założenia (np. średnia wieloletnia temperatura zewnętrzna, stała temperatura w pomieszczeniach wynosząca +20 stopni Celsjusza), więc lepiej, dla bezpieczeństwa, przyjąć wyższą stawkę

2) opłata za dostawę energii cieplnej, czyli taryfa dla ciepła, składa się z dwóch członów:

– opłaty stałej, która w zasadzie nie powinna przekraczać 30% kosztów dostawy, którą płacimy w formie tzw. mocy zamówionej (o niej opowiem w jednym z kolejnych wykładów)

– opłaty zmiennej, którą płacimy za zużyte GJ energii (wg licznika)

Ta opłata stała nie zawsze może być zmniejszona o przewidywaną wielkość oszczędności. Ale najważniejszym argumentem jest… ostrożność i doświadczenie, gdyż jak się nam trafi ostra zima, to nie będziemy musieli dopłacać, a przy „normalnej” zimie, dostaniemy zwroty za oszczędność… i o to chodzi!!! Zobaczcie, że większość z nas narzeka wtedy, jak musi do czegoś dopłacać, a bardzo jest zadowolona, jak otrzymuje zwroty. Nasze wpłaty na ogrzewanie mają charakter zaliczek miesięcznych i zgodnie z prawem, po roku (w przypadku wspólnot w I kwartale roku następnego) Zarząd wspólnoty (zarządca) musi przedstawić nam roczne rozliczenie, z którego wynikać będzie czy musimy dopłacić, czy też otrzymamy zwroty… rzecz jasna lepiej, jak jest to zwrot, niż dopłata.

Możemy też policzyć efekty ekologiczne wynikające z tych 70 t niespalonego miału energetycznego… ale, to zostawimy sobie na jeden z kolejnych wykładów.

Oceniamy, że ok. 50% budynków w Polsce jest w takim złym stanie technicznym…, więc jest co robić przez kolejną dekadę.

Dodam, że w latach 2003–2006 z niewielkim zespołem audytorów (6 osób) wykonaliśmy takie programy na ponad 100 budynkach i dzięki temu zaoszczędziliśmy ok. 100.000 GJ energii, czyli tyle ile zużywa średnio kilkunastotysięczne miasteczko w sezonie grzewczym.

Pytania do wykładu

1. Jaka powinna być minimalna procentowa oszczędność energii w programach termomodernziacyjnych wykonywanych zgodnie z wymogami ustawy o wspieraniu termomodernizacji i remontów?

2. Ile wynosi VAT dla prac związanych z termomodernizacją?

3. Wymień, jakie przedsięwzięcia, zgodnie z wymogami ustawy, mogą otrzymać wsparcie w formie premii termomodernizacyjnej.

4. Jakie jest zasada ustalania wysokości premii termomodernizacyjnej?

5. Czy kredyt termomodernizacyjny można otrzymać na realizację programu dla budynków więzienia?

6. Jaki jest maksymalny czas spłaty kredytu termomodernizacyjnego?

7. Jakie warunki musi spełnić kredytobiorca, aby otrzymać premię termomodernizacyjną?

8. Jaki jest aktualny limit emisji CO2 dla Polski ustalony prze Komisję UE?

Do spisu treści

Wykład 3: Pitagorasy w ciepłownictwie.

Prowadzący: Andrzej Jurkiewicz

Teza: Nasze życie zależy od energii i to głównie Słońca.

Aby opisać zjawiska związane z wymianą ciepła musimy zdefiniować trzy rodzaje tej wymiany: przez promieniowanie, przez konwekcję i przez przewodzenie.

Pierwsza związana jest z energią prehistoryczną… promieniowaniem słonecznym. Od tego promieniowania wszystko się zaczęło i to dobrych kilka miliardów lat temu.

Nie ulega natomiast wątpliwości, że Słońce świeci (wysyła promienie w formie fal elektromagnetycznych) w zasadzie tylko dla nas: ok. 47% promieniowania to promieniowanie podczerwone, dzięki któremu nasza Ziemia jest ogrzewana, kolejne 46% to promieniowanie dzięki, któremu możemy tę naszą piękną Ziemię oglądać, czyli promieniowanie w zakresie długości fal widzialnych, a pozostałe 7% to ultrafiolet (potrzebny wtedy jak Ziemia się kształtowała). Niezależnie od energii Słońca, każde ciało o temperaturze powyżej zera absolutnego jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego. Wysyłane fale elektromagnetyczne, o długości fal podczerwonych, mogą zamienić się w ciepło, jeżeli trafią na odpowiednią przegrodę (ciało stałe lub płyn); piszemy, że odpowiednią, bo niektóre substancje są „przezroczyste” dla tego promieniowania np. czyste powietrze. Jednak największym i pierwotnym źródłem energii cieplnej jest nasze Słońce. To jest energia pierwotna, bo wykorzystana została przy „produkcji” większości paliw na ziemi, takich jak węgiel, gaz czy ropa. Są to paliwa pochodzenia roślinnego – kiedyś (miliony lat temu) były to „zwykłe” rośliny, które pobierały energię słoneczną, potem obumarły i utworzyły dzisiejsze pokłady węgla, ropy czy gazu.

Każde ciało o temperaturze wyższej wysyła taki rodzaj energii do ciała o temperaturze niższej. Często nie widzimy tego promieniowania, ale go czujemy; np., jeżeli stoimy odpowiednio blisko zimnej (lub gorącej) przegrody to czujemy doskonale, że ta przegroda jest zimniejsza (lub cieplejsza) od naszego ciała. Przykładem wykorzystania tego zjawiska, jako znakomitego źródła ciepła, jest promiennik gazowy w hali produkcyjnej. Promienie podczerwone emitowane z takiego promiennika nie ogrzewają powietrza, a jedynie przedmioty (przegrody), do których docierają; powietrze ogrzewane jest w sposób wtórny (od rozgrzanych przedmiotów). Co ciekawe, efektywność takiego ogrzewania na stanowiskach roboczych w hali jest bardzo wysoka, mimo, że często promienniki wiszą kilka lub nawet kilkanaście metrów nad posadzką. Dodatkowo, stosując ogrzewanie promiennikowe, nie musimy utrzymywać stale wysokiej temperatury powietrza w hali, gdyż odczucie komfortu cieplnego przez pracowników jest znacznie lepsze niż przy ogrzewaniu tradycyjnym (grzejniki typu „favir” lub nagrzewnice powietrzne); a w hali można utrzymywać temperaturę o kilka stopni niższą od temperatur normowych. Dlaczego?… gdyż, promiennik działa jak nasze „prywatne słońce”; on ogrzewa nasze ciało, posadzkę, czy maszynę, więc mimo, że powietrze w hali nie jest zbyt ciepłe, nam to nie przeszkadza. Kolejną zaletą jest możliwość stosowania tzw. ogrzewania stanowiskowego (problem szczególnie ważny w dużych halach gdzie, na danej zmianie, pracuje niewielka ilość stanowisk); pracownik uruchamia promiennik nad swoim stanowiskiem w momencie podjęcia pracy i praktycznie w ciągu kilku minut stanowisko (i sam pracownik) jest ogrzewane.

Jest tylko problem z warunkami BHP w hali, gdyż normy BHP najczęściej odnoszą się do temperatury powierza, a nie naszego „odczucia”…, ale można ten przepis pokonać, opracowując (wspólnie z behapowcem) odpowiednią ekspertyzę, lub wyliczając tzw. temperaturę odczuwalną (chyba kiedyś spróbujemy wspólnie policzyć taką temperaturę). Także ilość energii pierwotnej zużywanej w tym rodzaju ogrzewania, jest znacznie niższa od energii zużywanej przy ogrzewaniu tradycyjnym (zużyjemy ok. 20–30% energii mniej dla osiągnięcia podobnego odczucia komfortu cieplnego przez pracownika). Warto zapamiętać, bowiem, że obniżenie temperatury w pomieszczeniu o 1 stopień to oszczędność rzędu 5–6% energii, a promienniki pozwalają nam obniżyć temperatury w pomieszczeniu o klika stopni (2–5°C) bez pogorszenia komfortu pracy pracowników.

Same korzyści z takiego ogrzewania.

Jak działa takie promieniowanie i dlaczego coś, co jest falą elektromagnetyczną (kwantem/fotonem) i porusza się z prędkością równej prędkości światła, ma właściwość taką, że jak wpadnie na przeszkodę, to może ją ogrzać? Nie do końca potrafimy wytłumaczyć to zjawisko; widzimy, a w zasadzie czujemy, że tak się dzieje, ale tak do końca nie potrafimy go wyjaśnić.

Spróbujmy opisać ten rodzaj energii.

Wymiana ciepła przez promieniowanie może nastąpić wtedy, gdy ciała są rozdzielone przez ośrodek przeźroczysty lub półprzeźroczysty (próżnia, powietrze). Aby oszacować wielkość tej wymiany musimy znać właściwości ciała, które wysyła to promieniowanie (emitor) i ciała, które pochłania tą energię (odbiornik). Musimy także znać ich wzajemne położenie i temperaturę. Ważne jest też czy w pobliżu naszego emitora i odbiornika znajdują się inne ciała (też biorą udział w tej wymianie).

Każde ciało może część takiego promieniowania zaabsorbować (wtedy wzrośnie jego temperatura), część przepuścić, a resztę odbić. Wprowadziliśmy sobie dla wygody pojęcie ciała doskonale czarnego, czyli takiego, które pochłonie całe padające na nie promieniowanie i to niezależnie od długości fali, kierunku czy polaryzacji takiego promieniowania, a jednocześnie w danej temperaturze, przy każdej długości fali, wysyła (emituje) ono maksymalną ilość energii cieplnej. Ciała doskonale czarnego w rzeczywistości nie ma, ale łatwo jest go opisać i służy głównie jako odniesienie do obliczania emisji (absorpcji) promieniowania przez inne ciała istniejących w przyrodzie.

Strumień energii wypromieniowanej przez ciało o temperaturze T i powierzchni A wynosi:

Φ = A·ε·σ·T4     [W]     (3)

gdzie:

σ – stała promieniowania (Stefana–Boltzmanna) wynosząca 5,67·10–8 W/(m²·K4)

T – temperatura bezwzględna w K

ε – współczynnik emisji; dla ciała doskonale czarnego ε=1

Co ciekawe, dla ciała pochłaniającego energię zmieni się jedynie współczynnik emisji ε na współczynnik absorpcji a (a=1 dla ciała absolutnie czarnego).

Ciała rzeczywiste (tzw. szare) mają współczynniki emisji i absorpcji mniejsze od jedności. Oczywiście ciało emitujące energię będzie obniżało swoją temperaturę, a temperatura ciała przyjmującego tę energię będzie rosła. Przy jednakowej różnicy temperatury miedzy emiterem, a odbiornikiem nastąpi stała wymiana ciepła (koniecznym jest wtedy stałe dostarczanie energii do emitera). Dzieje się tak np. dla energii przekazywanej Ziemi przez Słonce lub promiennik w hali włączony na określoną moc… no może nie do końca te układy są takie niezmienne w czasie, gdyż np. w przypadku hali zmienia się temperatura odbiorników (posadzki, maszyn, pracownika), który z czasem się ogrzeje, a w przypadku Ziemi zmienia się jej położenie względem Słońca (noc/dzień, pory dnia i roku, odległość od Słońca). Jak ważne są te zmiany moglibyśmy odczuć, gdyby udało nam się zatrzymać Ziemię; wtedy na jednej półkuli mielibyśmy cały czas dzień, a na drugiej cały czas noc… a co z temperaturą powierzchni? Z jednej strony Ziemia nagrzałaby się do bardzo wysokiej temperatury (nie wiem jakiej, ale chyba nawet ponad 100°C), a z drugiej musielibyśmy żyć na wiecznej Syberii… W takich warunkach nie pożylibyśmy zbyt długo.

Przy tej wymianie ciepła ważnym jest także ośrodek, w którym to zjawisko występuje; najlepiej, bo bez strat, przejdzie ta energia w próżni lub czystym powietrzu… Duży wpływ na to, jak promieniowanie przejdzie przez przegrodę, nawet przezroczystą, mają właściwości tej przegrody oraz długości fal… np. szkło znakomicie przepuści promieniowanie fal krótkich (widzialnych), a nie przepuści większości fal podczerwonych.

Z kolei w kolektorze słonecznym zależy nam na dużym współczynniku absorpcji powierzchni aktywnej kolektora (w granicach 0,9), a małych współczynnikach emisyjnych (poniżej 0,1). To zadanie spełniają tzw. absorbery z odpowiednimi powłokami selektywnymi, których rozwój możemy zaobserwować w technice solarnej (szerzej o tym, w wykładzie poświeconym kolektorom słonecznym).

Ciekawy ten rodzaj przekazywania energii, ale musimy go już zostawić… wrócimy kiedyś do niego przy omawianiu kolektorów słonecznych.

Drugim rodzajem energii jest konwekcja, czyli unoszenie ciepła.

Tutaj nośnikiem energii jest nagrzana cząsteczka, która zmieni swoje położenie. Ten nagrzany strumień cząsteczek to np. woda grzewcza w naszych instalacjach centralnego ogrzewania „popychana” przez pompę obiegowa, lub powietrze nagrzane w nagrzewnicy i rozprowadzane przez wentylator (np. w agregatach grzewczo–wentylacyjnych). Często działają tutaj naturalne siły przyrody; powietrze w pokoju podgrzewa się nad grzejnikiem i na skutek tego staje się lżejsze (zmiana gęstości powietrza wraz z zmianą temperatury), co powoduje, że unosi się do góry, gdzie napotykając na zimny sufit lub ściany, ochładza się i zaczyna opadać w dół. Naturalna konwekcja była kiedyś wykorzystywana także w wodnych instalacjach grzewczych. Podgrzana woda w kotle i schłodzona woda w kaloryferach wymuszały naturalny obieg grawitacyjny w takiej instalacji. Nie jest to zbyt wygodna instalacja (duże średnice przewodów i mała ilość grzejników, otwarte naczynie wzbiorcze), ale nie wymaga ona dodatkowej energii elektrycznej do napędu pomp obiegowych. Spotykamy czasem ten rodzaj instalacji w starych domach lub w ogrzewaniach etażowych.

Strumień energii w instalacji grzewczej przenoszony drogą konwekcji, możemy opisać wzorem (tzw. pierwszy „pitagoras”):

Φ = m·c·(Θz–Θp)     [J]     (4)

gdzie:

m – masa czynnika grzewczego [kg]

c – ciepło właściwe czynnika grzewczego [J/(kg·K)]

Θz – temperatura zasilania czynnika grzewczego

Θp – temperatura powrotu czynnika grzewczego

Zadanie: W kotle centralnego ogrzewania przepływ wody wynosi 1500 l/h. W ciągu doby temperatura średnia na zasilaniu instalacji wynosiła 42°C, a na powrocie 35°C. Jaką ilość energii dostarczył nam kocioł? Z jaką średnią mocą pracował ten kocioł?

Rozwiązanie:

Najpierw moc:

P = 1500/3600 [kg/s]·4190 [J/kg·K]·7 [K] = 12220,83 J/s = 12,22 kW

A teraz energia:

Φ = 1500/3600 [kg/s]·4190 [J/kg·K]·7 [K]·24·3600 [s] = 1 055 880 000 J = 1,056 GJ

Jak widać aby wyliczyć ilość energii musimy znać moc źródła, czas jego pracy i różnicę temperatury lub ilość podgrzanej wody (ilość czynnika ogrzewanego przez dany okres czasu) i różnicę temperatury.

Podobny wzór zastosujemy przy liczeniu ilości energii przenoszonej przez powietrze. Przepływy powietrza określamy w m³/h lub m³/s, albo poprzez określanie tzw. ilości wymian powietrza na godzinę w danej przestrzeni. Np., jeżeli w pomieszczeniach biurowych zalecana jest jedna wymian na godzinę, to znaczy, że np. w pokoju o wymiarach 3·4·3 = 36 m³ musimy dostarczyć 36 m³ powietrza na godzinę.

Można, więc przekształcić wzór (4) na związany z przepływem i ogrzewaniem powietrza:

Φ = m·c·(Θi–Θe) = V·ρ·cp·(Θi–Θe)

Przyjmując, że w temperaturze 20°C (i ciśnieniu atmosferycznym) powietrze ma gęstość 1,20 kg/m³, a ciepło właściwe powietrza wynosi 1000 J/kg·K oraz podając przepływ w m³/h, otrzymamy:

Φ = 1200/3600·Vh·(Θi–Θe)·t = 0,33· Vh·(Θi–Θe)·t     (6)

gdzie

Θi – temperatura wewnętrzna powietrza w pomieszczeniu

Θe – temperatura zewnętrzna powietrza nawiewanego

Vh – ilość powietrza w m³/h

t – czas w godzinach (np. w sezonie grzewczym 5040 godzin)

Policzmy wobec tego ile energii w sezonie grzewczym musimy dostarczyć do ogrzania powietrza wentylacyjnego naszego pokoju biurowego przyjmując, że ma on kubaturę 36 m³, że dostarczamy powietrze w ilości jednej wymiany na godzinę, że temperatura wewnętrzna wynosi 20°C, że średnia temperatura zewnętrzna w sezonie grzewczym wynosi + 4°C, a długość sezonu wynosi:

210 dni·24godzin = 5040 godzin

Φ = 0,33·34·(20–4)·5040 Wh = 904781 Wh = 904 kWh = 0,904 MWh = 3,26 GJ

Pytanie tylko, czy na pewno potrzebujemy, aż tyle świeżego powietrza?

Jeżeli jest to biuro pracujące 8 godzin w dni robocze, to, po co cały czas dostarczać jedną wymianę na godzinę?

A jeśli mamy możliwość kontrolowania ilości powietrza nawiewanego?

Np. wymieniliśmy okna na szczelne i zastosowaliśmy nawiewnik higrosterowalny (urządzenie, które powoduje napływ świeżego powietrza w zależności od wilgotności panującej w pomieszczeniu)?

W takim przypadku ilość powietrza nawiewanego będzie się nam zmieniała w zależności od wilgotności powietrza:

– do 40% wilgoci w powietrzu nawiewnik otwarty jest na minimum (ok. 1/3 swej maksymalnej wydajności)

– powyżej 40% wilgoci nawiewnik zaczyna się uchylać

– pełne otwarcie uzyska, gdy wilgotność w pomieszczeniu przekroczy 70%.

Przy pełnym otwarciu, typowy nawiewnik higrosterowalny dostarczy nam ok. 35 m³/h powietrza. Napływ powietrza w nawiewniku jest, więc regulowany od ok. 10 do 35 m³/h.

W naszych obliczeniach przyjęliśmy, że podgrzewamy cały strumień powietrza przez cały czas. Policzmy ten strumień:

34 m³/h·5040 godzin = 171,360 m³ powietrza na sezon !!!

A spróbujmy policzyć, ile powietrza ogrzejemy, jeżeli wprowadzimy nawiewnik higrosterowalny, przy założeniu, że pracujemy pięć dni w tygodniu 8 godzin dziennie i nawiewnik, w czasie naszej pracy, średnio otwarty będzie na 70% swej pełnej wydajności. Przez pozostałe godziny nawiewnik „przepuści” jedynie 10 m³/h powietrza

V1 = 210 dni·5/7·8h·0,7·35 m³/h = 29,400 m³/sezon

V2 = (5040h–210·5/7·8)·10 m³/h = 38,400 m³/sezon

Razem: 67,800 m³/sezon… zamiast 171,360 m³/sezon

Nasze obliczenia powinniśmy, więc skorygować: 3,26 GJ·67,800/171,360 = 1,29 GJ

Przyjmując, więc „bezkrytycznie”, że mamy jedną wymianę na godzinę, zawyżyliśmy zużycie energii o ok. 60%

Taki „błąd” jest często popełniany przez początkujących audytorów. Słowo „błąd” celowo umieściłem w cudzysłowie, bo czy to rzeczywiście jest błąd?

Przykładowo norma „wentylacyjna” (PN–PN–83/B–03430/Az3:2000) wyraźnie mówi o 20 m³/h na osobę w takich pomieszczeniach… wiec, jak w naszym pomieszczeniu pracują dwie osoby, to nawet jedna wymiana to za mało… jak pracują!… a jak do biura przyjdzie petent albo nawet dwóch? A co wtedy jak pomieszczenie jest puste? (w nocy i weekendy). Nie rozwiążemy tego problemu… musimy coś założyć, więc przyjmujemy 1 wymiana (lub dwie osoby) jak biuro pracuje, a w pozostałym czasie należy przyjąć „niezbędne minimum”.

Ale, co to znaczy niezbędne minimum?

Przyjmujemy 0,3 wymiany (wielkość minimalna zalecana praktycznie do wszystkich pomieszczeń), czyli 12 m³/h (w wyliczeniach przyjąłem nawet mniej, bo 10 m³/h). Oczywiście podaliśmy jedynie jeden strumień powietrza; przez nawiewnik. Dodatkowym strumieniem będzie powietrze z infiltracji przez nieszczelną stolarkę. Założyliśmy wprawdzie, że nasze okna są szczelne, ale to wcale nie znaczy, że całkowicie szczelne! Tzw. współczynnik infiltracji dla naszych okien nie może być większy od (dziwna jednostka!):

0,3 m³/(h·mb·daPa2/3),

który oznacza ze przy różnicy ciśnienia 1 daPa (1 dekapaskal=10Pa) w ciągu jednej godziny, uszczelka naszego okna przepuści 0,3 m³ powietrza.

Policzmy ile tego powietrza nam dojdzie w naszym pokoju z tytułu infiltracji dla dwóch okien o wymiarach 1,5 m·1,5 m, czyli obwód okien wynosi:

6 mb·2 okna = 12 mb uszczelki.

Liczymy:

Vinf = 12·0,3 = 3,6 m³/h… ok. 10% kubatury – nie jest to zbyt dużo, ale nie powinniśmy o tej wielkości zapominać. Zresztą w metodyce dla świadectw energetycznych dodajemy do strumienia „normowego” nawet 20% kubatury wentylowanej tytułem tej właśnie infiltracji…, ale czy słusznie?

Wrócimy jeszcze do wentylacji przy okazji omawiania tej metodyki (i nie tylko).

Jak widzicie, w audytach największym problemem jest więc określenie w miarę realnego strumienia świeżego powietrza. Błąd, który tutaj popełnimy może być bardzo duży… zwłaszcza jak budynek ma już dobrze ocieplone przegrody i wymienione okna, gdyż wtedy często ponad 70% energii na ogrzewanie, to energia dla potrzeb powietrza wentylacyjnego!!!

Osobiście jestem zwolennikiem w miarę dokładnego szacowania wielkości strumienia powietrza świeżego, jednak niezależnie od dokładności naszych szacunków zawsze musimy liczyć się z możliwością popełnienia błędu.

Trzeci rodzaj wymiany ciepła (przewodzenie) opiszemy w następnym wykładzie.

Pytania do wykładu

1. Wymień trzy rodzaje wymiany ciepła.

2. Co to jest ciało doskonale czarne?

3. Jakie współczynniki, z punktu widzenia energii promieniowania, charakteryzują materiały?

4. W węźle cieplnym ustalono przepływ wody grzewczej na 10 m³/h. Temperatura wody wynosi: zasilanie 55°C powrót: 45°C. Jaki jest wzór na oblicznie strumienia energii cieplnej i ile on wynosi dla tych parametrów.

5. Dla zadania z punktu 4 policz ilość energii dostarczonej z węzła przez okres jedenej doby.

6. Podaj wymagania normy PN–PN–83/B–03430/Az3:2000 dla budynków mieszkalnych

7. Co to jest nawiewnik higrosterowalny i jak działa?

8. Jaką ilość energii dostarczymy w sezonie grzewczym (5040 godzin) do budynku szkoły o kubaturze 6.000 m³ przyjmując 1 wyminę powietrza na godzinę (temperatura zewnętrzna średnia sezonu + 4°C, temperatura średnia w szkole + 20°C)?

9. Do szkoły z zadania 7 chodzi 200 uczniów i nauczycieli. Jaki proponujesz algorytm wyliczenia ilości energii dla ogrzania powietrza wentylacyjnego, przy tych samych założeniach co do długości sezonu i temperatur?

Do spisu treści

Wykład 4: Podstawy ciepłownictwa – przewodzenie.

Prowadzący: Andrzej Jurkiewicz

Teza: Czasem, aby zasłużyć na kubek ciepłej herbaty trzeba się nieźle napracować.

Ostatnią wymianą ciepła, którą teraz omówię to wymiana ciepła przez przewodzenie. W tym wypadku cząsteczki, które uczestniczą w tej wymianie są nieruchome, ale „przekazują” sobie nawzajem energię cieplną. Najlepszym przykładem, aby wyjaśnić tą wymianę jest doświadczenie z drutem miedzianym: należy wziąć w palce koniec drutu miedzianego, a na drugim podgrzać go zapalniczką… Dopiero po pewnym czasie, zacznie nas „parzyć” w palce… to jest właśnie „przewodzenie”. Z tą wymianą mamy do czynienia np. przy przepływie ciepła przez ścianę budynku.

Przedstawię Wam wzór na liczenie rocznych start ciepła przez przegrodę budowlaną, jako jedną z kilku metod liczenia tych strat, podaną w metodologii wykonywania audytów (Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 marca 2009 r. w sprawie szczegółowego zakresu i form audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a także algorytmu oceny opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego):

Q = 8,64·10-5·A·Sd/R     [GJ]     (7)

Wzór ten określa ilość energii w GJ, którą stracimy przez przegrodę budowlaną o oporze cieplnym R (K·m2/W) i powierzchni A (m2), przy średnich wieloletnich temperaturach miesięcznych sezonu grzewczego, przyjętych dla danej stacji meteorologicznej na terenie Polski, przy założeniu normatywnej temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym. Strata tej energii wyliczona jest metodą stopniodni, przy założonej długości trwania sezonu grzewczego przyjętym zgodnie z Tabelą 1 w/w Rozporządzenia.

Definicja ta jest na tyle skomplikowana, że czytając ją trudno ją zrozumieć. Spróbujmy wobec tego, krok po kroku, wyjaśnić ten wzór.

Zaczynamy, więc od początku, czyli od zdania, które napisałem w tezie tego wykładu: a więc ile razy należy podnieść 1 kg cukru na wysokość 1 m, aby zasłużyć na kubek ciepłej herbaty?

Wbrew pozorom, nie jest zadanie typu filozoficznego, gdyż w pierwszym przypadku (podnosząc cukier) i w drugim przypadku (podgrzewając wodę na herbatę), mamy do czynienia z energią. Podnosząc cukier będzie to energia mechaniczna (siła naszych mięśni), a podgrzewając herbatę, będzie to energia cieplna dostarczona do wody (np. z płomienia kuchenki gazowej) w celu jej zagotowania.

Najpierw energia „cukru”:

Praca = siła · droga (Q = F·s)

Siła = masa · przyspieszenie (F = m·a)

W naszym przypadku musimy pokonać przyspieszenie ziemskie, więc:

F = 1 kg·9,81 m/s2 (dawniej ta wielkość zwana była kilogramsiła i oznaczona była przez kG) Φ = 1 kg·9,81 m/s2·1 m = 9,81 J (Joule – wym. Dżul – jednostka energii)

Przyjmijmy dla równego rachunku, że aby podnieść 1 kg cukru na wysokość 1m, musimy wykonać pracę o wartości 10 J.

Jeżeli przyjmiemy, że wykonamy tę czynność w ciągu 1 sekundy, to musimy użyć mocy 10 W, gdyż 1 J = 1W·s (watosekunda)

Teraz przejdziemy do herbaty. Tu sprawa jest nieco trudniejsza, gdyż musimy wprowadzić pojęcie ciepła właściwego. Definicja: ciepło właściwe, to ilość energii cieplnej, jaką musimy dostarczyć do 1kg danej substancji (u nas wody), aby zwiększyć jej temperaturę o 1 stopień Celsjusza lub Kalwina. Obie jednostki (°C, K), różnią się tylko "zerem startowym": raz jest to zero dla zamarzania wody (0°C), a raz zero bezwzględne (K) równe -273 °C. W praktyce (przynajmniej w większości krajów Europy) posługujemy się Celsjuszem, ale w technice każą nam się posługiwać stopniami Kalwina.

Przy okazji jednostek, wyjaśnijmy jeszcze, czym jest kaloria lub kilokaloria, jako dawna jednostka energii: otóż 1 kaloria jest to ilość energii, jaką należy dostarczyć do 1 g wody, aby go podgrzać od 14,5 do 15,5°C (przy ciśnieniu 1 atmosfery).

Przelicznik cal na Dżule wynosi: 1cal = 4,19 J.

Wyjaśniam tą jednostkę, dlatego, że w starszej literaturze często ją spotkamy, a także stosowana jest powszechnie w dietetyce… niestety zwyczajowo błędnie, gdyż wartość energetyczna produktów podawana jest potocznie w kaloriach (np. dieta „1000 kalorii”, albo pół litra piwa ma 350 kalorii), a powinna i jest w …kilokaloriach

Jak łatwo się domyślić, ciepło właściwe zależy od rodzaju substancji, dla przykładu:

Substancja Ciepło właściwe J/(kg·K)
Aluminum/stal 900/460
Polipropylen/PCV 2000/980
Woda/lód/para 4190/2050/1900
Powietrze 1005

Ciepło właściwe wody wynosi więc 4190 J/(kg·K), a powietrza 1005 J/(kg·K). Zapamiętajmy te wielkości, gdyż często z nich korzystamy.

Wzór na strumień ciepła już znamy:

Q=m·c·(Θk–Θp) [J]

gdzie:

m – masa substancji w kg

c – ciepło właściwe w J/(kg·K)

Θk – temperatura końcowa (np. w °C)

Θp – temperatura początkowa

Czyli, chcąc wyliczyć ilość energii cieplnej dostarczonej do danej substancji muszę znać masę i ciepło właściwe tej substancji i wiedzieć, o jaką różnicę temperatury chcę ją podgrzać. Oczywiście zakładamy, że w trakcie procesu podgrzewania, nasza substancja nie zmieni swego stanu skupienia (np. woda będzie wodą i nie zamieni się w parę wodną).

Dla przygotowania kubka naszej herbaty zagotujmy 0,5 litra wody. Przyjmijmy, że temperatura wody zimnej w kranie wynosi 10°C (taką wartość przyjmujemy zawsze w audytach). Przyjmijmy także, że gęstość wody wynosi 1000 kg/m3, czyli ze 1 litr wody ma masę 1 kg. Pamiętajmy jednak, że gęstość wody maleje wraz z temperaturą (choć w granicach od 0°C do 4°C gęstość ta rośnie, a dopiero powyżej 4°C zaczyna spadać… ciekawe dlaczego?).

Dla przykładu w temperaturze 4°C ma największą gęstość wynoszącą 999,97 kg/m3, a dla 100°C najmniejszą 958,35 kg/m3 (oczywiście przy ciśnieniu 1013 hPa). Nawiasem mówiąc, ta zmiana gęstości, przekłada się w praktyce na zmianę objętości wody wraz ze zmianą temperatury i jest przyczyną konieczności stosowania tzw. naczyń wzbiorczych wyrównawczych w instalacjach grzewczych… czasem są to naczynia otwarte (kiepskie rozwiązania), a w nowych instalacjach stosujemy naczynia zamknięte, które nie generują tak dużych strat cieplnych jak te otwarte.

Wróćmy jednak do zadania: ilość energii, którą musimy dostarczyć do naszej wody, aby ją zagotować wyniesie:

Q = 0,5 kg·4190 J/(kg·°C)·(100°C–10°C) = 188 550 J

A dla podniesienia 1 kg cukru? Q = 10 J

Wynik jest niesamowity:… ok. 19 tysięcy razy musimy podnieść kilogram cukru, aby zasłużyć na jeden kubek herbaty!!!…
Ten wynik ma nam uświadomić jak duże są wielkości, które związane są z ciepłem… zresztą popatrzcie na jednostki energii cieplnej: Kilowatogodziny, Megawaty, Gigadżule… to tysiące, miliony lub nawet miliardy razy więcej niż te jednostki, z którymi mamy do czynienia na co dzień, czyli Waty i Dżule mechaniczne.

Jest i jeszcze jedna korzyść z wyniku tego zadania: może dzięki temu przykładowi, zamiast gotować pół litra wody każdy z nas zagotuje 0,3 litra?… zawsze, to kilka tysięcy kilogramów cukru do przerzucenia mniej i kilka tysięcy Dżuli energii zaoszczędzonej na każdym kubku herbaty.

Teraz omówię jeszcze jednostkę mocy, czyli Wat.

Aby zrozumieć, czym jest moc układu, zróbmy inne zadanie: podgrzejmy 1m3 wody (1000 litrów) od temperatury 10°C do temperatury 55°C, ale zróbmy to raz w ciągu 1 minuty, a drugi raz w ciągu 1 godziny.

Czemu tak dużo tej wody podgrzewamy?… gdyż 1 m3 wody, to jednostka rozliczeniowa w naszych mieszkaniach… rozliczamy się w m3 zużytej wody w ciągu miesiąca, a temperatura 55°C, to temperatura wymagana cwu (ciepłej wody użytkowej) w naszych kranach.

Policzmy:

Φcwu = 1000 kg · 4190 J/(kg·K)·(55–10)K = 188 500 000 J = 0,1885 GJ

0,1885 GJ to ilość energii, którą musimy dostarczyć do 1m3 wody, aby ją podgrzać z 10 do 55°C.

Pamiętamy, że: 1 J = 1 W·s (watosekunda)

Teraz podgrzejmy tę wodę w ciągu 1 minuty, aby wyznaczyć moc układu:

P = Φcwu/t = 188 500 000 W·s/60s = 3 142 500 W = 3,1425 MW

Moc „grzałki”, którą musimy tu zastosować wynosi ponad 3 MW!!! (z taką średnią mocą pracuje ciepłownia niewielkiego miasta w zimie)… a przykładowo, moc grzałki w naszych bojlerach wynosi ok. 2 kW (1 500 razy mniej)… no tak, ale tu podgrzewamy 5 wanien zimnej wody w ciągu jednej minuty

Podgrzejmy tą samą wodę w czasie jednej godziny:

P = 188 500 000 J/3600s = 52 375 W = 52,375 kW

To z kolei średnia moc wymiennika do podgrzewu cwu w niewielkim budynku.

Jak widać energię od mocy oddziela (a w zasadzie dzieli) czas. Dla treningu, proszę policzyć ile czasu potrzebuje typowy bojler, którego grzałka ma moc 2 kW, aby podgrzać te 1000 litrów wody?

I jeszcze przelicznik: 1MWh = 3,6 GJ (też warto zapamiętać)

Przejdę teraz do straty ciepła przez przegrodę budowlaną.
Najpierw definicja przewodności cieplnej (nieco podobna zresztą do definicji ciepła właściwego). Dla lepszego wytłumaczenia, posługiwać się będę definicją stosowaną w budownictwie.

Przewodność cieplna przegrody jest to strumień energii cieplnej przechodzący przez powierzchnię 1m2 przegrody, o grubości 1m, przy różnicy temperatur między jedną stroną przegrody a drugą, wynoszącą 1K… dodam od siebie: w czasie 1 sekundy.

Ta pogrubiona czcionka przy czasie, ma nam uświadomić, że przepływ energii (strumień cieplny) odbywa się cały czas, jeżeli tyko wystąpi dowolna różnica temperatury (w ciepłownictwie, z uwagi na stosunkowo wolne procesy zmian, zwyczajowo najmniejszą jednostką czasu jest godzina).

Przewodność cieplna zależy głównie od gęstości materiału i jego wilgotności. Przykładowe przewodności cieplne niektórych materiałów przedstawiam w tabeli poniżej.

Substancja λ [W/m·K]
Miedź/stal 380/50
Szkło/tynk/cegła 1/0,51/0,77
Woda 0,6
Wełna mineralna/styropian 0,035/(0,028÷0,040)
Powietrze (20°C) 0,025

Wielkość przewodności cieplnej danego materiału determinuje ewentualny cel i sposób jego stosowania w budownictwie, ciepłownictwie lub innych dziedzinach techniki. Np. chcemy, aby ścianki kotłów grzewczych wykonane były z materiału o dużej przewodności cieplnej, gdyż zależy nam na szybkiej wymianie ciepła między spalinami przepływającymi przez wymiennik kotła, a wodą grzewczą płynąca po drugiej stronie wymiennika (najczęściej jest to stal lub żeliwo). Z kolei ściany naszych domów ocieplamy styropianem, który ma małą przewodność, gdyż zależy nam na maksymalnym zmniejszeniu strumienia ciepła (ograniczenie strat ciepła przez przegrodę).

Ale okazuje się, że najlepszym izolatorem, powszechnie dostępnym jest… zwykłe powietrze! A cóż to jest styropian?… To po prostu, uwięzione pęcherzyki powietrza w polipropylenie… i to polipropylen ma gorsze właściwości izolacyjne od powietrza!!!

Podobnie jest z oknami, gdzie rama okienna ma często znacznie gorsze właściwości izolacyjne niż podwójna szyba zespolona, w której dwie tafle szkła oddziela niewielka warstwa (ok. 2 cm) powietrza (dlatego, od producentów okien żądać należy podawania współczynnika przenikania dla całego okna, wraz z ramą, a nie tylko dla szyb).

Kolejną jednostką jest opór cieplny.
Jest to iloraz grubości materiału przez jego przewodność:

R = d/λ     [m2·K/W]     (8)

λ – przewodność materiału

d – grubość materiału

Wprowadziliśmy też jeszcze jedną jednostkę: współczynnik przewodności cieplnej, oznaczany literą U, która jest często, po prostu, odwrotnością oporu. Większość norm, przepisów o warunkach technicznych oraz opisów właściwości cieplnych przegród budowlanych podajemy w tej właśnie jednostce.
W praktyce prawie zawsze liczyć będziemy opór przegrody, a następnie wyznaczali jego odwrotność, w celu porównania jej z ustalonymi przepisami wartościami granicznymi współczynnika U.

U=1/R     [W/(m2·K)]     (9)

Przykładowe dopuszczalne wartości współczynnika przewodności cieplnej U podaje poniższa tabela (wyciąg z „Rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie” zwanego dalej Rozporządzeniem WT 2009)

Budynek mieszkalny i zamieszkania zbiorowego
Lp. Rodzaj przegrody i temperatura w pomieszczeniu Współczynnik przenikania ciepła U(max) [W/(m2· K)]
1 Ściany zewnętrzne (stykające się z powietrzem zewnętrznym, niezależnie od rodzaju ściany):
a) przy ti > 16°C
b) przy ti ≤ 16°C

0,30
0,80
2 Ściany wewnętrzne pomiędzy pomieszczeniami ogrzewanymi a nieogrzewanymi, klatkami schodowymi lub korytarzami 1,00
5 Dachy, stropodachy i stropy pod nieogrzewanymi poddaszami lub nad przejazdami:
a) przy ti > 16°C
b) przy 8°C < ti ≤ 16°C

0,25
0,50
6 Stropy nad piwnicami nieogrzewanymi i zamkniętymi przestrzeniami podpodłogowymi, podłogi na gruncie 0,45
7 Stropy nad ogrzewanymi kondygnacjami podziemnymi bez wymagań
8 Ściany wewnętrzne oddzielające pomieszczenie ogrzewane od nieogrzewanego 1,00
ti – Temperatura obliczeniowa w pomieszczeniu zgodnie z § 134 ust. 2 rozporządzenia.

Spróbujmy teraz wyliczyć stratę ciepła przez jakąś przegrodę budowlaną. Dla przykładu weźmiemy ścianę z cegły o grubości 36 cm, ocieploną 10 cm styropianu, dwustronnie otynkowaną (wewnętrznie tynk gipsowy, na zewnątrz akrylowy). Przyjmijmy, że jest to ściana szczytowa, bez okien, o powierzchni 10m·20m = 200 m2


λ1 (tynk akrylowy) = 0,8 W/m·K d1 = 3 cm
λ2 (styropian) 0,04 = W/m·K d2 = 10 cm
λ3 (cegła) 0,7 = W/m·K d3 = 36 cm
λ4 (tynk gipsowy) 0,4 = W/m·K d4 = 2 cm

Teraz policzymy opór przegrody:

R = Rse + d11 + d22 + d33 + d44 + Rsi

Pojawiły się dwa nowe opory, oprócz oporów wynikających z grubości i właściwości materiałów. Są to opory przejmowania ciepła przez przegrodę, które występują na styku zmiany ośrodka wymiany ciepła np. powietrze–ściana… ten opór ściany przed przyjmowaniem ciepła od powietrza i oddawaniu ciepła przez ścianę do powietrza, zależy od bardzo wielu czynników np. temperatury, wiatru (przeciągów), emisyjności farby lub tynku, chropowatości przegrody, warunków mikroklimatu wewnętrznego i zewnętrznego, kierunku przepływu ciepła i wielu innych. Jest to wynik „oporu” przed wymianą ciepła (konwekcji i promieniowania) na styku powietrze–ściana i ściana–powietrze.

Opory te (lub współczynniki przejmowania ciepła) wyznaczane są dość skomplikowanymi zależnościami, dlatego przyjmujemy ich średnie wielkości wg poniższej tabeli:

Opór przejmowania ciepła Kierunek strumienia cieplnego
w górę
Kierunek strumienia cieplnego
poziomo
Kierunek strumienia cieplnego
w dół
Rsi – opór wewnętrzny [W/m2·K] 0,10 0,13 0,17
Rse – opór zewnętrzny [W/m2·K] 0,04 0,04 0,04

Zwracam uwagę, na to, że opory w pomieszczeniu zależą od kierunku przepływu ciepła (wiemy, że ciepło „łatwiej” płynie do góry, wiec opór przejmowania ciepła przez sufit jest najmniejszy). W przypadku oporu przejmowania na zewnątrz przegrody, opór jest jednakowy i wynosi 0,04 m2·K/W. Czemu?… Gdyż na zewnątrz bardzo duży wpływ na ten opór mają warunki atmosferyczne (wiatr, deszcz, temperatura) i w sumie nie zależy on prawie, od kierunku przepływu ciepła.

Policzmy opór naszej przegrody:

R = 0,040 + 0,030/0,800 + 0,100/0,040 + 0,360/0,700 + 0,020/0,400 + 0,130 = 3,272 [m2·K/W]

Uwaga: opór zawsze podajemy do trzeciego miejsca po przecinku

Natomiast współczynnik przenikania wynosi: U = 1/R = 0,306 W/(m2·K), ale uwaga: takiej ściany zewnętrznej nie moglibyśmy wybudować w dzisiejszych budynkach (patrz tabela powyżej)… znaczy możemy, ale nie spełni ona warunku minimalnego U, który zgodnie z WT 2009, wynosi 0,3 W/(m2·K)

Obliczyliśmy opór ściany, a jak wyliczyć strumień energii cieplnej, którą przez taką ścianę w zimie przepływa? Co musimy znać dodatkowo, aby ten strumień policzyć?

Musimy wiedzieć, jaka jest różnica temperatury miedzy pomieszczeniami ogrzewanymi a powietrzem zewnętrznym i musimy znać powierzchnię wymiany ciepła. Wzór wobec tego będzie wyglądał tak (drugi „pitagoras”):

q = A·(Θsi – Θse)/R     [W]     (10)

A = 200 m2 – powierzchnia ściany

R = 3,272 m2·K/W – opór ściany

Θse = 4°C – temperatura zewnętrzna

Θsi = 20°C – temperatura w pomieszczeniu

q = 200·16/3,272 = 978 W

W jakim czasie ten strumień płynie?… w zasadzie strumień ten płynie ciągle; w każdej sekundzie. Taki strumień cieplny odpowiada, więc obrazowo 10 żarówkom 100–watowym, które cały czas świecą (w przypadku żarówek żarowych, to nawet możemy powiedzieć, że „cały czas grzeją” …i w ok. 85% będziemy mieli rację).
Cały czas ten strumień płynie… Jak długo? Np. jeden miesiąc (w metodyce wykonywania charakterystyk energetycznych) lub tyle ile trwa sezon grzewczy (w metodyce wykonywania audytów)

Dla przykładu: czas trwania sezonu grzewczego średnio w Polsce wynosi 5000 godzin, i przyjąłem 4°C, jako temperaturę zewnętrzną, gdyż taka jest średnia temperatura sezonu grzewczego dla większości obszaru Polski (III strefa)

Policzmy wobec tego ile energii stracimy przez naszą ścianę, ale czas podamy w sekundach, aby wynik otrzymać w Dżulach.

Φ = q·t     [J]     (11)

Φ = 978 [W]·5000 [h]·3600 [s/h] = 17 598 533 456 J… strasznie duża cyfra, dlatego nasze liczniki ciepła wyskalowane są w GJ, a starta ciepła dla naszej ściany wyniesie: 17,6 GJ/rok

Dużo to, czy mało? A ile kosztuje 1 GJ, zapytam przewrotnie?…
jak z węgla i piec kaflowy jako źródło, to 30 zł/GJ, czyli strata roczna wyniesie ok. 500 zł
jak ogrzewanie gazowe, to 50 zł/GJ, czyli strata ok. 900 zł
jak elektryczne, to 150 zł/GJ, czyli strata ok. 2700 zł

Jak widzimy, ilość energii, którą zużyjemy, w sumie zależy od różnicy temperatur. Pozostałe wielkości (A i R i czas) są stałe.

Ta pierwsza temperatura przyjmowana jest przez nas na podstawie warunków normatywnych np. w naszym przykładzie, jest to +20°C, czyli temperatura wymagana w pomieszczeniach mieszkalnych, czy biurowych. W Rozporządzeniu WT 2009 podane są normatywne temperatury w pomieszczeniach, które powinniśmy przyjmować, przy liczeniu np. zapotrzebowania na ciepło w budynku. Wartości tych temperatur podaję w tabeli poniżej.

Temperatury obliczeniowe*) Przeznaczenie lub sposób wykorzystywania pomieszczeń Przykłady pomieszczeń
1 2 3
+5°C

– nieprzeznaczone na pobyt ludzi,

– przemysłowe – podczas działania ogrzewania dyżurnego (jeżeli pozwalają na to względy technologiczne)

magazyny bez stałej obsługi, garaże indywidualne, hale postojowe (bez remontów), akumulatornie, maszynownie i szyby dźwigów osobowych

+8°C

– w których nie występują zyski ciepła, a jednorazowy pobyt osób znajdujących się w ruchu i w okryciach zewnętrznych nie przekracza 1 h,

– w których występują zyski ciepła od urządzeń technologicznych, oświetlenia itp., przekraczające 25 W na 1 m3 kubatury pomieszczenia

klatki schodowe w budynkach mieszkalnych,


hale sprężarek, pompownie, kuźnie, hartownie, wydziały obróbki cieplnej

+12°C

– w których nie występują zyski ciepła, przeznaczone do stałego pobytu ludzi, znajdujących się w okryciach zewnętrznych lub wykonujących pracę fizyczną o wydatku energetycznym powyżej 300 W,

– w których występują zyski ciepła od urządzeń technologicznych, oświetlenia itp., wynoszące od 10 do 25 W na 1 m3 kubatury pomieszczenia

magazyny i składy wymagające stałej obsługi, hole wejściowe, poczekalnie przy salach widowiskowych bez szatni,

hale pracy fizycznej o wydatku energetycznym powyżej 300 W, hale formierni, maszynownie chłodni, ładownie akumulatorów, hale targowe, sklepy rybne i mięsne

+16°C

– w których nie występują zyski ciepła, przeznaczone na pobyt ludzi:

– w okryciach zewnętrznych w pozycji siedzącej i stojącej,

– bez okryć zewnętrznych, znajdujących się w ruchu lub wykonujących pracę fizyczną o wydatku energetycznym do 300 W,

– w których występują zyski ciepła od urządzeń technologicznych, oświetlenia itp., nieprzekraczające 10 W na 1 m3 kubatury pomieszczenia

sale widowiskowe bez szatni, ustępy publiczne, szatnie okryć zewnętrznych, hale produkcyjne, sale gimnastyczne,

 

 

kuchnie indywidualne wyposażone w paleniska węglowe

+20°C

– przeznaczone na stały pobyt ludzi bez okryć zewnętrznych, niewykonujących w sposób ciągły pracy fizycznej

pokoje mieszkalne, przedpokoje, kuchnie indywidualne wyposażone w paleniska gazowe lub elektryczne, pokoje biurowe, sale posiedzeń

+24°C

– przeznaczone do rozbierania,

– przeznaczone na pobyt ludzi bez odzieży

łazienki, rozbieralnie–szatnie, umywalnie, natryskownie, hale pływalni, gabinety lekarskie z rozbieraniem pacjentów, sale niemowląt i sale dziecięce w żłobkach, sale operacyjne

*) Dopuszcza się przyjmowanie innych temperatur obliczeniowych dla ogrzewanych pomieszczeń niż jest to określone w tabeli, jeżeli wynika to z wymagań technologicznych.

Drugą temperaturę, którą musimy określić, jest to temperatura zewnętrzna, ale liczona, jako średnia w sezonie. Na terenie Polski rozmieszczone są stacje meteorologiczne, w których co godzina rejestrowana jest temperatura. Obecnie dysponujemy danymi z 30 ostatnich lat z ponad 60 stacji. Dane te są dostępne na stronie Ministerstwa Infrastruktury na podstronie „świadectwa energetyczne” (www.mi.gov.pl). Temperatury wieloletnie są bardzo wygodne, gdyż wyliczenia, które wykonujemy z ich wykorzystaniem, są w pewnym sensie statystyczne i niezależne od warunków pogodowych danego konkretnego roku. Przykładowe temperatury miesięczne w wybranych miejscowościach podaję w tabeli poniżej.

Miesiące 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Stacja meteo Średnie temperatury miesięczne
Łeba -0,4 -0,3 3,3 5,9 10,8 14,7 17,0 17,3 13,2 10,0 2,6 0,1
Toruń -0,7 -0,9 3,3 6,8 13,6 17,2 17 16,3 13,6 7,7 2,4 1,2
Opole -0,6 -0,2 4,3 8,9 12,9 17,7 16,9 18,4 13,9 9,4 4,7 0,3
Zakopane -2,8 -2,3 1,1 5,0 9,8 12,7 14,3 13,1 11,2 4,6 1,5 -3,0

Przyjmując średnią temperaturę w sezonie grzewczym należy znać długość tego sezonu. Tu też pomaga nam statystyka i w Rozporządzeniu o metodyce wykonywania audytów energetycznych znajdziemy długości sezonu grzewczego dla każdej ze stacji. W tabeli powyżej podajemy pod miesiącami ilość dni sezonu grzewczego w każdym z miesięcy.

Miesiące 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Stacja meteo Ilość dni sezonu grzewczego
Łeba 31 28 31 30 20 0 0 0 10 31 30 31
Toruń 31 28 31 30 5 0 0 0 5 31 30 31
Opole 31 28 31 30 5 0 0 0 5 31 30 31
Zakopane 31 28 31 30 20 0 0 0 20 31 30 31

Te średnie temperatury w miesiącu w połączeniu z ilością dni grzewczych możemy wykorzystać przy liczeniu zapotrzebowania na energię cieplną (lub strat) metodą tzw. Stopniodni, wg poniższego wzoru:

Sd = Σ(Θi–Θe)·Lm     [K·doba]     (12)

Tworząc różnicę temperatury wewnętrznej (najczęściej stała w ciągu sezonu) i średniej temperatury miesięcznej, a następnie wymnażając tę różnicę przez liczbę dni grzewczych w danym miesiącu, otrzymam stopniodni miesiąca. Suma wszystkich miesięcznych stopniodni daje nam roczną wielkość …i tą operujemy porównując np. różne obszary Polski pod względem „ostrości zimy”

W tabeli poniżej przedstawiam ilość stopniodni dla w/w miejscowości wyliczanych dla temperatury wewnętrznej +20°C

Miesiące 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1÷12
Stacja meteo Stopniodni miesięczne Stopniodni roczne
Łeba 632,4 568,4 517,7 423,0 184,0 0,0 0,0 0,0 68,0 310,0 522,0 616,9 3842,4
Toruń 641,7 585,2 517,7 396,0 32,0 0,0 0,0 0,0 32,0 381,3 528,0 582,8 3696,7
Opole 621,9 565,6 486,7 333,0 35,5 0,0 0,0 0,0 30,5 328,6 459,0 610,7 3471,5
Zakopane 706,8 624,4 585,9 450,0 204,0 0,0 0,0 0,0 176,0 477,4 555,0 713,0 4492,5
Temperatura wewnętrzna +20°C

W metodyce uproszczonej, dla wyliczania charakterystyki energetycznej budynku (Rozporządzenie o metodologii charakterystyki energetycznej) wprowadzamy także pojęcie stopniogodzin. Wspomniane stacje meteo robią pomiary, co godzinę i takie dane wykorzystamy przy liczeniu stopniogodzin. Można wiec wyliczyć ilość stopniogodzin dla przyjętej temperatury wewnętrznej przy znanej temperaturze w każdej godzinie roku.

Sg = Σ(Θi–Θe)·1 h     [K·h]     (13)

Stopniogodziny znakomicie sprawdzają się przy wyliczaniu np. zapotrzebowania na ciepło do wentylacji czy klimatyzacji (w chłodnictwie), zwłaszcza w przypadkach, gdy urządzenia te działają czasowo np. w salach kinowych, restauracjach, czy salach konferencyjnych… ale też w biurach, domach, zakładach pracy… czyli wszędzie tam gdzie urządzenia wentylacyjne lub klimatyzacyjne pracują okresowo w ciągu doby. Jedynym mankamentem tej metody jest ilość działań do wykonania; skrajnie w roku mamy 8760 godzin, więc chcąc wyliczyć stopniogodziny danego roku musimy wykonać dokładnie tyle operacji matematycznych… całe szczęście, w dobie komputerowej, nie stanowi to większego problemu. Stopniogodziny, to połączenie przyjętego czasu pracy urządzeń z temperaturą zewnętrzną i wewnętrzną. Bardzo ciekawa i wygodna wielkość w ciepłownictwie i klimatyzacji.

Wróćmy, jednak do naszego wzoru nr 7, który podałem na początku tego wykładu:

Q = 8,64·10-5·A·Sd/R

A – powierzchnia przegrody w m2

Sd –ilość stopniodni dla danej miejscowości w K·doby

R – opór cieplny przegrody w K·m2/W

Stała: 8,64·10-5 jest po prostu ilością sekund w dobie (3600s·24h = 86.400 sekund) gdyż musimy przeliczyć „dni grzewcze” na „sekundy grzewcze”

Policzmy, jaka będzie ilość energii dla naszej ściany z przykładu powyżej, wyliczanej metodą stopniodni dla mojego miasta Opola:

Q = 8,64·10-5·200·3471,5/3,272 = 18,33 GJ

Jak widzimy wynik jest zupełnie podobny do tego, który podałem w przykładzie (17,6 GJ), przyjmując, że średnia temperatura sezonu grzewczego to 4°C, a czas jego trwania to 5 000 godzin… ale przecież metodyka stopniodni też liczy średnią temperaturę w sezonie i też uwzględnia czas trwania tego sezonu, więc wyniki powinny być zbliżone.

Mam nadzieję, że definicja podana na początku wykładu, pod wzorem (7), już nie jest tak straszna.

I na koniec zadanie: Jak porównać z sobą konkretne sezony grzewcze? czyli praktyczne zastosowanie stopniodni.

Powiedzmy, że w roku 2007 ilość zużytej energii przez budynek w Opolu wynosiła 800 GJ, a średnią temperaturę w każdym z miesięcy tego roku podaję w poniższej tabeli.
Skąd znam średnie miesięczne w konkretnym roku?… Internet to potęga; zajrzyjmy na stronę: www.imgw.pl do mapki Polski z zaznaczonymi izotermami dla konkretnego miesiąca lat ubiegłych i zróbmy interpolację temperatury w pobliżu naszej miejscowości

Miesiące 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Stopniodni roczne
śr. temp. mies. 4,0 2,2 6,1 10,2 15,0 19,0 19,3 19,0 12,9 8,0 2,0 0,3
Stopniodni 496,0 498,4 430,9 294,0 25,0 0,0 0,0 0,0 35,5 372,0 540,0 610,7 3302,5
Opole 2007

Liczymy stopniodni i porównujemy ze stopniodniami w standardowym sezonem grzewczym dla najbliższej stacji metrologicznej (w tym wypadku też Opola). Stosunek obu Sd wynosi: 3471,5/3302,5 = 1,051… wiec statystycznie nasz budynek zużywa: 800 GJ·1,051 = 841 GJ i to będzie podstawą do szacowania ewentualnych oszczędności przy np. realizacji programów termomodernizacyjnych.

Tą metodą możemy porównywać różne sezony grzewcze i sprowadzać zużycia energii w danym sezonie do tzw. standardowego sezonu grzewczego (wielkość wymagana w audycie energetycznym).

Pytania do wykładu

1. Jaki jest wzór na strumień energii cieplnej?

2. Podaj definicję przewodności cieplnej.

3. Podaj jeden z wzorów na wyliczenie start przez jednorodną przegrodę budowlaną.

4. Co to jest opór cieplny?

5. Policz ile energii potrzebujemy na podgrzanie wody 10 dcm3 od 10 do 20°C (cp=4,19 kJ/kg·K)

6. Podaj definicję stopniodni.

7. Od czego zależą opory przejmowania ciepła przez przegrodę budowlaną?

8. Jaka jest wartość U dla ścian wg WT 2009 i czy zawsze jest taka sama?

9. Wylicz ilość stopniodni dla swojego miasta w standardowym sezonie grzewczym i w roku 2009

Do spisu treści