Straty i zyski ciepła w domu jednorodzinnym
Skąd się biorą i od czego zależą? Jak przekłada się to na rachunek za energię do ogrzewania?
Straty i zyski ciepła w domu jednorodzinnym to elementy jego bilansu energetycznego. Definiują przepływy energii w budynku, a co za tym idzie – wpływają bezpośrednio na rachunki za zużywaną energię. Warto podkreślić, że jest to opłata nie tylko za komfort cieplny, lecz również za odpowiednią jakość powietrza wewnątrz budynku. Jeżeli zadowolimy się niższą temperaturą w domu, możemy oczywiście płacić mniej, ale najlepsze rozwiązanie to niskie opłaty i wysoki komfort.
Na zdjęciu z kamery termowizyjnej widzimy, jak ciepło ucieka z budynku przez przegrody zewnętrzne: dach, okna, podłogę na gruncie. Im są starsze, bardziej zniszczone i mają gorsze parametry termiczne, tym większe są straty
fot. Grzegorz WowroStraty ciepła
Ciepło „ucieka” z budynku przez różnego rodzaju przegrody zewnętrzne: ściany, dach, okna itp. Straty przez przenikanie zależą od powierzchni przegród, przez które „ucieka” ciepło, ich współczynnika przenikania ciepła oraz różnicy temperatury po obu stronach przegrody. Najmniejszymi stratami ciepła charakteryzują się budynki o zwartej bryle (małej powierzchni przegród w stosunku do powierzchni użytkowej), niskim współczynniku przenikania ciepła przez przegrody zewnętrzne (zabezpieczone materiałem izolacyjnym o odpowiedniej grubości) oraz takie, w których pomieszczenia nieogrzewane stanowią rodzaj buforu dla wnętrz ogrzewanych.
Na zwiększenie lub zmniejszenie strat ciepła ma również wpływ temperatura wewnątrz budynku. Zimą im niższa będzie temperatura we wnętrzach, tym mniejsze będą straty ciepła. W pewnych warunkach, na przykład dla temperatury -5°C wewnątrz i -20°C na zewnątrz, straty byłyby niewielkie i mogłyby być równoważone przez zyski ciepła od słońca, ludzi, urządzeń AGD etc. Niestety, w starszych, niezaizolowanych albo źle zaizolowanych budynkach równowaga taka zachodzi dopiero przy temperaturze wewnętrznej znacznie niższej od optymalnej. Przeciwnie niż w budynku pasywnym (stąd właśnie wzięła się jego nazwa), który można ogrzać niemal wyłącznie zyskami ciepła (czyli pasywnie), jedynie od czasu do czasu korzystając z dodatkowego źródła ciepła w postaci instalacji centralnego ogrzewania.
Na szczególną uwagę zasługują straty ciepła na ogrzanie powietrza wentylacyjnego. Jeśli chcemy oszczędzać energię, oczywistym krokiem będzie ograniczanie strat ciepła. Dążymy do minimalizacji strat przez przegrody, nie możemy tak jednak postępować w przypadku strat przez wentylację.
Zapotrzebowanie na ciepło do wentylacji zależy od wielkości strumienia powietrza wentylacyjnego oraz od tego, o ile stopni musimy ogrzać powietrze wpływające do budynku z zewnątrz. W domach jednorodzinnych z wentylacją grawitacyjną powietrze zewnętrzne musi zostać ogrzane do pożądanej temperatury wewnętrznej, nie mamy tu zatem możliwości ograniczenia strat ciepła, chyba że pokusimy się o zastosowanie systemu z wymiennikiem gruntowym lub/i wymiennikiem do odzysku ciepła (tak zwanym rekuperatorem). Najprostszym rozwiązaniem wydawałoby się zmniejszenie napływu albo odpływu powietrza z pomieszczeń. Takie działanie, choć skutecznie obniża rachunki za energię, jest szkodliwe dla użytkowników domu.
Roczne straty ciepła w budynku jednorodzinnym
Budynek jednorodzinny o standardzie izolacyjności ścian zewnętrznych i instalacjach typowych dla lat 80. XX w (opis na następnej stronie)
rys. Agnieszka i Marek SterniccyTemperatura odczuwalna
To średnia z wartości temperatury powietrza oraz temperatury powierzchni otaczających przegród. Przyjmuje się, że komfortowa temperatura odczuwalna to 20-21oC.
W pomieszczeniu o temperaturze powietrza około 20oC, w pobliżu okna, którego wewnętrzna powierzchnia ma temperaturę mniej więcej 16oC, temperatura odczuwalna wynosi blisko 18°C. Z tego wynika, że niewystarczająco zaizolowane ściany zewnętrzne nie tylko zwiększają ucieczkę ciepła, ale dodatkowo – ze względu na to, że temperatura na ich powierzchni jest niska – sprawiają, że odczuwamy zimno, mimo że temperatura powietrza wynosi 20oC, czyli tyle, ile powinna.
Temperatura odczuwalna wzrasta na przykład w pomieszczeniach z ogrzewaniem podłogowym. Gdy temperatura ciepłej podłogi wynosi około 25oC, osoby przebywające w pomieszczeniu odczuwają komfort cieplny, nawet jeśli powietrze ma 17-19oC. To, czy dana temperatura jest odczuwana jako komfortowa, jest sprawą indywidualną. Niektórzy za komfortową mogą uznawać temperaturę o kilka stopni wyższą lub niższą od zakładanych 20-22oC, a to z kolei może mieć określone następstwa finansowe. Obniżając zimą temperaturę w pomieszczeniach z 20oC do 17oC, możemy uzyskać mniej więcej 20-procentowe zmniejszenie rachunków za energię do ogrzewania. Podwyższając ją do wartości 23oC, musimy się liczyć ze zwiększeniem wydatków na ten cel o blisko 20%.
Jednorodzinny budynek referencyjny wg www.nape.pl
Typowy dom jednorodzinny z lat 80. XX w., na przykładzie którego przeanalizowano wielkość strat ciepła
Zyski ciepła
Mogą pochodzić od promieniowania słonecznego, oświetlenia, urządzeń elektrycznych, instalacji ciepłej wody użytkowej, a także od użytkowników.
Wydawałoby się, iż zimą, im większa jest suma zysków ciepła, tym lepiej. Zagadnienie to jest jednak bardziej skomplikowane.
Załóżmy, że chcemy maksymalizować zyski ciepła od promieniowania słonecznego. W tym celu należałoby zwiększyć powierzchnię okien, to jednak zwiększyłoby straty ciepła przez przegrody, ponieważ okna mają zazwyczaj kilkakrotnie gorszy współczynnik przenikania ciepła niż ściany pełne.
Maksymalny zysk ciepła przez 1 m2 okna skierowanego na południe to około 300 W, zimą możliwy do osiągnięcia jedynie przez niewielką ilość czasu. Jednocześnie 1 m2 okna na skutek przenikania ciepła może powodować ciągłą stratę wielkości nawet 120 W (ściany pełne mają zazwyczaj dużo niższy współczynnik przenikania ciepła). W tej sytuacji najkorzystniejsze byłoby zasłanianie okien żaluzjami, roletami bądź też innymi przesłonami zmniejszającymi „ucieczkę” ciepła, gdy nie świeci słońce (nie ma zysków), i odsłanianie ich w celu „wpuszczania” ciepła w dni słoneczne. Jeżeli bierzemy pod uwagę zyski ciepła zimą, o wiele korzystniejszym wydaje się zastosowanie przeszkleń od strony południowej. Jednak latem takie rozwiązanie staje się kłopotliwe. Nadmiar zysków ciepła trzeba rozproszyć, żeby uniknąć przegrzewania pomieszczeń. Także w tym przypadku z pomocą przychodzą żaluzje (rolety itp.), które ograniczają dostęp promieniowania słonecznego do wnętrza domu.
Również w przypadku zysków ciepła od oświetlenia, urządzeń AGD i RTV oraz instalacji ciepłej wody użytkowej więcej nie zawsze znaczy lepiej. Zyski te pochodzą przecież z energii, za którą płacimy. Energia elektryczna jest znacznie droższa niż ciepło, które w domach jednorodzinnych pochodzi najczęściej ze spalania paliw (gazu, węgla). Nierozsądnym zatem byłoby pozostawanie przy oświetleniu żarowym, chociaż zapewnia ono większe zyski ciepła niż oświetlenie ledowe.
Wielkością, którą trudno regulować, są zyski ciepła od osób przebywających w pomieszczeniach – każda z nich jest źródłem około 100 W mocy cieplnej. Nie zapraszamy jednak gości specjalnie po to, by zwiększyć zyski ciepła.
W okresach, kiedy temperatura powietrza na zewnątrz jest niska, całe zyski ciepła są wykorzystywane do utrzymania komfortowej temperatury powietrza we wnętrzach. Im wyższa jest temperatura na zewnątrz, a co za tym idzie – mniejsze jest zapotrzebowanie na ciepło, tym mniejsza część zysków ciepła jest wykorzystywana. W dobrze zaizolowanym budynku zyski ciepła są wystarczające do utrzymania wewnątrz temperatury +20°C, nawet gdy temperatura na zewnątrz spada do około +5°C. W budynku starego typu, niepoddanym termomodernizacji, już przy temperaturze na zewnątrz +15°C należałoby uruchomić ogrzewanie, aby zapobiec wychładzaniu pomieszczeń.
Optymalny strumień powietrza wentylacyjnego
Powinien wynosić około 50 m3/h na osobę lub zapewniać od pół do jednej wymiany powietrza na godzinę w całej kubaturze domu.
Strumień powietrza o takiej wielkości powinien usunąć zanieczyszczenia emitowane do powietrza przez przebywających w domu ludzi (i zwierzęta) oraz użytkowane przez nich urządzenia.
W budynkach mieszkalnych wzrasta stężenie dwutlenku węgla, zmniejsza się udział tlenu, rośnie ilość pary wodnej oraz pojawiają się zanieczyszczenia chemiczne pochodzące z farb, tapet, środków czyszczących, mebli, wykładzin itp. Pogorszenie się jakości powietrza jest niebezpieczne dla zdrowia.
W niedostatecznie wentylowanych, a przez to zawilgoconych pomieszczeniach może się rozwijać szkodliwa pleśń, ograniczone jest także usuwanie szkodliwych substancji, takich jak gaz ulatniający się z niesprawnych urządzeń grzewczych czy dym z kominka. Jednak w przeciwieństwie do pogorszenia się komfortu cieplnego nie jest to łatwe do zauważenia.
Wentylacja pomieszczeń nie służy jedynie usuwaniu niepożądanych zapachów, jest niezwykle istotna dla zdrowia i bezpieczeństwa użytkowników i zdecydowanie nie wolno jej ograniczać.
Ciepło do ogrzewania
Energia końcowa (ciepło spalania) na potrzeby ogrzewania [kW]
Godzinowe zapotrzebowanie na energię końcową do ogrzewania w ciągu roku (energia końcowa odniesiona do ciepła spalania)
rys. Agnieszka i Marek SterniccyStraty i zyski ciepła a koszty ogrzewania
Aby zachować komfort cieplny w pomieszczeniach, ciepło „uciekające” z budynku musi być „uzupełnione” ciepłem dostarczanym przez system centralnego ogrzewania. Różnica między wielkością strat ciepła a wielkością zysków (pomniejszonych o zyski, których nie dało się wykorzystać) stanowi zapotrzebowanie na energię użytkową (EU). Jednak nie jest to ta ilość energii, za którą płacimy.
W domach jednorodzinnych ciepło do systemu c.o. jest dostarczane najczęściej z kotła zasilanego na przykład gazem ziemnym. Można przyjąć, że sprawność wytwarzania ciepła jest w tym wypadku równa sprawności kotła i wynosi od 84 do ponad 100%.
Warto zwrócić uwagę na to, iż sprawność kotła podawana przez producentów odnoszona jest do wartości opałowej paliwa, rozliczani jesteśmy zaś za ilość ciepła zawartego w paliwie w odniesieniu do ciepła spalania, które jest o 10-15% większe.
Wydawałoby się oczywiste, iż im sprawność kotła jest wyższa, tym lepiej. Trzeba jednak pamiętać, że wyższa sprawność kotła jest związana z większym schłodzeniem spalin, co prowadzi do wykroplenia wilgoci ze spalin, a to może zniszczyć nieprzystosowany komin lub kocioł.
Zadanie doprowadzenia odpowiedniej ilości ciepła do pomieszczeń spoczywa na instalacji c.o. Ilość dostarczanego ciepła może być regulowana ilościowo, to znaczy zaworem termostatycznym, bądź jakościowo, gdy temperatura wody zasilającej grzejniki zmienia się w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego. Regulacja ta rzadko jednak jest w stanie idealnie zareagować na zmieniające się potrzeby. Zazwyczaj sprawność regulacji, transportu i wykorzystania ciepła wynosi od około 65% w starym budynku do 90% w nowoczesnym.
Wielkość zapotrzebowania na energię użytkową po uwzględnieniu całkowitej sprawności kotła gazowego i instalacji c.o. (w odniesieniu do wartości opałowej lub ciepła spalania) daje nam energię końcową na potrzeby ogrzewania (EK). Dopiero ta wartość bezpośrednio przekłada się na koszt ogrzewania.
Straty ciepła, zyski, energia użytkowa i końcowa
Zestawienie strat, zysków i kosztów ogrzewania
Za przykład niech nam posłuży typowy dom jednorodzinny wybudowany w latach 80. ubiegłego wieku. Piętrowy budynek o powierzchni 150 m2 z poddaszem nieużytkowym jest zlokalizowany na Mazowszu, z charakterystycznymi dla tego regionu warunkami klimatycznymi. Dom nie był dotychczas modernizowany, ma sprawną, typową dla lat 80. instalację centralnego ogrzewania (ogrzewanie wodne, dwururowe, grawitacyjne z rozdziałem dolnym, grzejniki żeliwne członowe bez zaworów termostatycznych), zasilaną z kotła na gaz ziemny (kocioł z palnikiem atmosferycznym i ręczną regulacją temperatury zasilania). Zimą w budynku jest utrzymywana temperatura około +20°C. Wentylacja grawitacyjna jest sprawna i zapewnia wymagany strumień powietrza (około 240 m3/h, czyli pół wymiany na godzinę). Współczynnik przenikania ciepła dla ścian zewnętrznych wynosi 1,16 W/(m2∙K), dla stropodachu – 1,1 W/(m2∙K), dla podłogi na gruncie – 1,8 W/(m2∙K), a dla okien drewnianych zespolonych – 2,6 W/(m2∙K).
Co zrobić z takim budynkiem, aby nie rezygnując z komfortu, zużywać mniej energii, a więc i mniej płacić za ogrzewanie? Trzeba przeprowadzić kompleksową termomodernizację: zaizolować ściany zewnętrzne, dach oraz podłogę lub strop nad nieogrzewaną piwnicą, wymienić okna. Warto także zająć się instalacjami – zamontować wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła, zmodernizować instalację c.o., wymienić kocioł. Nie bez znaczenia będzie także wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. Działania te zdecydowanie ograniczą straty ciepła, poprawią sprawność systemu centralnego ogrzewania i zmniejszą zapotrzebowanie na energię w budynku nawet o 85%.
Do ogrzewania takiego budynku potrzeba rocznie około 10 6 000 kWh energii, co w przypadku ogrzewania gazem ziemnym kosztuje 21 200 zł (przyjmując 0,2 zł/kWh). Rzeczywiste koszty mogłyby się okazać niższe z powodu częstego utrzymywania przez właścicieli domów temperatury poniżej zakładanych +20°C oraz zmniejszania intensywności wentylacji, co może się niekorzystnie odbić nie tylko na komforcie użytkowania, ale także na bezpieczeństwie i zdrowiu użytkowników.
Szczegółowy przebieg rocznego zapotrzebowania na ciepło na potrzeby c.o. ilustruje wykres. Tabela oraz wykres pokazują wielkość strat i zysków ciepła oraz dostarczoną energię użytkową i końcową w omawianym budynku w sezonie grzewczym.
