Wśród różnych sposobów zmniejszania zużycia energii coraz częściej w budynkach (również mieszkalnych), stosowane jest ocieplenie kubatury budynku za pomocą dodatkowej izolacji zewnętrznej, np. w postaci płyt styropianowych. Na rzeczywiste zużycie energii, oprócz konstrukcji budynku, mają wpływ czynniki klimatyczne. Pod tym hasłem rozumie się przede wszystkim zmianę temperatury zewnętrznej, ale również powinno się uwzględnić przeważający kierunek i prędkość wiatru w miejscu usytuowania rozpatrywanego budynku. Pomiary rzeczywistego zużycia energii w przypadku mieszkania, którego jedynym źródłem energii jest energia elektryczna, na przestrzeni kilku lat, czyli przy wystąpieniu różnych i zmiennych czynników klimatycznych umożliwiają ocenę korzyści z przeprowadzenia ocieplenia budynku oraz skutków wpływu indywidualnych decyzji, a także awarii, na zużycie energii elektrycznej.
Firmy proponujące akumulacyjne piece elektryczne [1] najczęściej również przedstawiają formularze służące do określenia zapotrzebowania na energię elektryczną w uzależnieniu od: typu budynku (budynek jednorodzinny, wielorodzinny) i rodzaju zastosowanych materiałów do budowy, liczby kondygnacji, usytuowania mieszkania w budynku wielorodzinnym i wielokondygnacyjnym, warunków klimatycznych, liczby ścian zewnętrznych w pomieszczeniach, rodzajów okien oraz zakładanej średniej temperatury w pomieszczeniu.
Przeprowadzono analizę zużycia energii elektrycznej oraz warunków klimatycznych w konkretnej lokalizacji mieszkania na przestrzeni sześciu lat. W tym czasie zewnętrzne ściany zostały ocieplone izolacją styropianową o grubości 10 cm.
Parametry rozpatrywanego mieszkania
Przedstawioną poniżej analizę przeprowadzono na przykładzie mieszkania w trzypiętrowym budynku wielorodzinnym, które znajduje się na pierwszym piętrze. W pionie sąsiaduje z dwoma mieszkaniami. Budynek nie jest wpisany do rejestru zabytków, niemniej został zbudowany ponad sto lat temu. Trzy rozpatrywane pomieszczenia mają wysokość 3,3 m. Warto zwrócić uwagę, że budynki sprzed stu lat miały na poszczególnych piętrach niejednakową wysokość pomieszczeń oraz niejednakową grubość muru. Im wyższe piętro - tym niższe są pomieszczenia oraz cieńsze ściany wykonane z cegły.
Projektant budynku zastosował przy konstrukcji budynku (przełom XIX i XX w.) ówczesne poglądy na temat zdrowego trybu życia - w sypialni nie powinno być zbyt ciepło. Z tego powodu pomieszczenie przewidziane jako sypialnia ma trzy i pół ściany jako zewnętrzne. Okna tego pomieszczenia są umieszczone na stronie zachodniej oraz od strony drugiego skrzydła budynku, którego fundament ma stylizowany kształt litery U. Najmniejsza odległość między ścianami obu skrzydeł budynku wynosi 2,5 m.
Odległość od ślepej ściany tego pomieszczenia do następnego budynku wynosiła zaledwie 1,2 m przed ociepleniem obu budynków. Aktualnie jest to 0,95 m. Negatywnym skutkiem zmniejszenia tej odległości jest zwiększenie prędkości wiatru między budynkami w przypadku wiatrów zachodnich, które przeważają na polskim wybrzeżu. W drugim pomieszczeniu mieszkalnym również są dwa okna, jedno na sąsiedni budynek, drugie znajduje się w łuku podstawy litery U. Między pomieszczeniami znajduje się korytarzyk z oknem oraz łazienka.
Jedynym nośnikiem energii w rozpatrywanym mieszkaniu jest energia elektryczna. Dwutaryfowy licznik oraz wyposażenie obwodów siłowych w zegar elektroniczny umożliwiają racjonalizację zużycia energii. W tym przypadku w godzinach taryfy nocnej (22-6 oraz 13-15) możliwe jest gromadzenie ciepła w piecach akumulacyjnych oraz bojlerze wody ciepłej. Utrzymywanie zadanej temperatury w pomieszczeniach jest realizowane przez sterownik programowalny. W czasie pracy domowników oraz w nocy nastawiona temperatura wynosi 16°C, natomiast w czasie pobytu domowników w mieszkaniu 21 °C.
Pobór energii elektrycznej przez lodówkę jest sterowany temperaturą jej termostatu i uzależniony częściowo od temperatury panującej w pomieszczeniu. Innymi odbiornikami energii elektrycznej, poza godzinami taryfy nocnej, są okresowo włączane: czajnik, kuchnia, odbiorniki RTV, komputer, odkurzacz itp.
Odczyty zużytej energii elektrycznej w omawianym mieszkaniu były przeprowadzane nieregularnie w ciągu sześciu lat. W tym czasie ocieplono ściany zewnętrzne za pomocą płyt styropianowych. Wyniki pomiarów zostały rozpatrzone oddzielnie dla godzin odpowiadających taryfie dziennej i nocnej.
Średnie zużycie energii elektrycznej w taryfie dziennej w rozpatrywanym okresie wynosiło prawie 1,93 kWh/dzień, przy czym zmiany zawarły się w granicach (1,06 - 2,75) kWh/dzień. Zarówno wartość minimalna jak i maksymalna występują w listopadzie i grudniu pierwszego roku pomiarów. Po odrzuceniu tych ekstremów wartość średnia pobieranej mocy pozostaje identyczna, ale zmienność ogranicza się do +11% oraz -15,6%. Odchyłki od średniej wartości rocznego poboru energii przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Procentowe odchyłki rocznego zużycia energii elektrycznej w taryfie dziennej ΔWd, liczone względem poboru średniego.
Uwzględniając zmienność warunków zewnętrznych (zwłaszcza zachmurzenie) oraz zmiany rodzaju oświetlenia można stwierdzić, że zużycie w taryfie dziennej utrzymuje się na stałym poziomie. W piątym roku zmieniono oświetlenie z oszczędnego na jarzeniowe. Przyczyną były zbyt częste uszkodzenia lamp energooszczędnych. W przypadku zużycia energii w czasie trwania taryfy nocnej zmienność poboru jest bardzo duża. Na rys. 2 przedstawiono średnie dobowe (obliczone dla okresów między pomiarami), zarejestrowane zużycia energii elektrycznej Wn w taryfie nocnej w poszczególnych latach. Pierwsza doba przypada 18 grudnia.
Średnie zużycie dzienne energii w tej taryfie wyniosło w rozpatrywanym okresie 11,7 kWh/dobę, przy czym zmiany zawarły się w granicach 20,6-3,1 kWh/dobę. Zmienność zużycia energii wynosi od +76% do -73% wartości średniej. W tej taryfie głównymi odbiorami jest akumulacja ciepła w piecach oraz bojler ciepłej wody. Można stwierdzić, że energia elektryczna przeznaczona do ogrzewania wody pozostaje w ciągu roku na niezmiennym poziomie, podczas gdy energia przeznaczona do ogrzewania zależy od warunków klimatycznych oraz konstrukcji budynku. Dwusetny dzień na skali czasu (rys. 2) przypada 10 lipca. Wyraźnie widoczne są minima średnich wartości przypadające w okolicach tego dnia odczytu energii. Średni pobór mocy wynikający z pomiarów w okresie letnim wynosi 4,46 kWh/dobę. Przyjęto, że jest to średnie zużycie energii na podgrzewanie wody. Stąd wynika roczny pobór mocy na potrzeby podgrzewania wody 1627 kWh/rok. Ponieważ zużycie energii praktycznie nie zależy od warunków klimatycznych, do dalszych rozważań o skutkach zmiany warunków zewnętrznych budynku (ocieplenie) na zużycie energii elektrycznej, rozważono wartość energii pobieranej w taryfie nocnej po odjęciu ww. wartości energii zużytej na ciepłą wodę.
Rys. 2. Średnie dobowe zużycie energii elektrycznej w taryfie nocnej
Całkowite roczne pobory energii elektrycznej w rozpatrywanym mieszkaniu w czasie rozważanego okresu istotnie się zmieniały. Pierwszy rok odczytów przypadł w czasie, kiedy budynek był jeszcze nieocieplony. Całkowity pobór energii w tym roku jest najwyższy. Wpływ ocieplenia budynku przedstawiono przez porównanie zużycia energii elektrycznej na ogrzewanie. Wartości wydzielone na ogrzewanie pomieszczeń przedstawiono na rys. 3. W pierwszym roku rozpatrywanego okresu pobór mocy na ogrzewanie W wyniósł 2707 kWh/rok, podczas gdy najniższy pobór zanotowano w drugim roku przeprowadzonych obserwacji i wynosił wówczas 1168 kWh/rok.
Rys. 3. Zużycie energii elektrycznej na ogrzewanie mieszkania w poszczególnych latach.
Zakończenie prac związanych z ociepleniem ścian zewnętrznych budynku nastąpiło w grudniu pierwszego roku przedstawionych wyników pomiarów.
Widoczne jest bardzo duże zróżnicowanie zużycia energii elektrycznej. Z całą pewnością na to zróżnicowanie miały wpływ warunki klimatyczne, czyli przede wszystkim najniższe zarejestrowane temperatury w czasie roku. Na rys. 4 przedstawiono zmiany poboru energii elektrycznej w kolejnych latach w stosunku do poboru w roku pierwszym.
Rys. 4. Procentowe zmiany poboru energii elektrycznej na ogrzewanie w stosunku do poboru w pierwszym roku dokonywania odczytów zużycia energii elektrycznej.
Zmiany poboru energii ΔW obliczono wg zależności:
gdzie:
Wr - energia pobrana w kolejnym roku,
Wm - energia maksymalna (w rozpatrywanym przypadku pobrana w pierwszym roku pomiarów).
Przeprowadzono obliczenia na zapotrzebowanie energii elektrycznej na ogrzewanie dwiema metodami: na podstawie parametrów budynku przez określenie oporów cieplnych oraz całkowitego współczynnika przenikania ciepła w rozpatrywanych pomieszczeniach [2, 3] i posługując się tabelą zamieszczoną w [1].
Sumaryczny opór cieplny przed zewnętrznym ociepleniem budynku wynosił R1, = 2,05 [m2K/W]. Dodanie warstwy styropianu spowodowało wzrost oporu cieplnego do wartości R2=4,55 [m2K/W]. Odpowiednie wartości całkowitego współczynnika przenikania ciepła, to U1 = 0,488 [W/(m2K)j oraz U2=0,22 W/(m2K)]. Obliczona tym sposobem zmiana zapotrzebowania na energię wynosi zatem - 54,9%. W przypadku obliczeń przeprowadzonych na podstawie tablicy doboru pieca akumulacyjnego [1], ta zmiana wynosi - 46%. Uwzględniając wyniki przedstawione na rys. 4, można stwierdzić, że średnia roczna zmiana zapotrzebowania na energię po ociepleniu budynku wynosiła - 47,7% w okresie pięciu lat po remoncie.
Jak stwierdzono poprzednio, wpływ temperatury otoczenia na pobór energii na ogrzewanie mieszkania jest istotny. W celu przedstawienia zależności poboru energii od warunków klimatycznych rozpatrzono średnie miesięczne najniższe temperatury panujące w miejscowości, w której znajduje się rozpatrywany budynek. Zmiany te, opracowane na podstawie danych zawartych na stronie internetowej [4], przedstawiono na rys. 5.
Rys. 5. Zmiany średniomiesięcznych najniższych temperatur w ciągu poszczególnych lat.
W rozpatrywanym czasie nastąpiły dwie awarie mające wpływ na pobór energii. Pierwsza awaria polegała na jednofazowym załączeniu pieca akumulacyjnego przez wyłącznik instalacyjny. Mimo wskaźnika pokazującego stan wyłączenia, sprężyna styku ruchomego jednej fazy spowodowała załączanie zasilania pieca w czasie taryfy nocnej. Skutkiem tego było nagrzewanie pieca do nastawionej ilości energii cieplnej. Awaria została dostrzeżona dopiero po 10 dniach w lipcu w trzecim roku rejestracji zużycia energii elektrycznej.
Druga awaria polegała na powolnej zmianie czasu wykazywanego przez zegar elektronicznego licznika energii w stosunku do czasu rzeczywistego. W ten sposób przesuwała się godzina zmiany taryfy przez licznik w stosunku do czasu astronomicznego. Ponieważ sterowanie załączaniem pieców akumulacyjnych uwarunkowane było innym urządzeniem, to następowało załączanie pieca, mimo że licznik energii elektrycznej nadal wykazywał czas taryfy dziennej. Awaria nastąpiła w szóstym roku rejestracji zużycia energii.
Kolejnym czynnikiem wpływającym na pobór energii jest najniższa temperatura Tmin zarejestrowana w danym roku w rozpatrywanej miejscowości. Najniższe temperatury w poszczególnych latach przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Najniższe temperatury zarejestrowane w kolejnych latach w rozpatrywanej lokalizacji:
rok | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Tmin | -20 | -21 | -26 | -25 | -28 | -14 |
Rozpatrzono również wpływ średniej temperatury w miesiącach od października do kwietnia w rozpatrywanym okresie. Dla wymienionych miesięcy, na podstawie danych zawartych na stronie internetowej [4], obliczono średnie wartości temperatur. Tak obliczone wartości dla poszczególnych lat zostały przedstawione na rys. 6.
Rys. 6. Średnie temperatury miesięcy od października do kwietnia w poszczególnych latach.
Równoczesne przedstawienie zarówno wartości całkowitej energii pobranej na ogrzewanie mieszkania oraz średniej miesięcznej temperatury w miesiącach zimowych wraz z informacją o remoncie budynku umożliwia wyciągnięcie istotnych wniosków dotyczących energetycznych skutków ocieplania budynków. Zestawienie takie przedstawiono na rys. 7.
Rys. 7. Zestawienie poboru energii elektrycznej na ogrzewanie (w MWh/rok) oraz średniomiesięcznej temperatury w okresie jesienno-zimowym (w °C).
Przeprowadzono analizę statystyczną otrzymanych wyników w celu obiektywnego potwierdzenia zależności zużycia energii na ogrzewanie (W) od średniej najniższej temperatury zewnętrznej (7). Obliczono współczynnik korelacji ρW,T między tymi wielkościami jako [5]
gdzie:
σw- odchylenie standardowe energii,
σT - odchylenie standardowe temperatury, które można obliczyć z zależności odpowiednio:
oraz:
gdzie:
n - liczba pomiarów w każdym roku,
Wi - średnia wartość dziennego zużycia energii w czasie między pomiarami,
Ti - średnia wartość najniższej temperatury w czasie między pomiarami,
Tav , Wav - odpowiednio średnia arytmetyczna wartość mierzonych zmiennych.
Zestawienie wyników obliczeń współczynnika korelacji między poborem energii i średnią najniższą temperaturą w poszczególnych latach przedstawiono w tabeli 2.
Wartości ujemne współczynnika korelacji wskazują, że dużym wartościom jednej zmiennej odpowiadają małe wartości drugiej zmiennej. W rozpatrywanym przypadku dużemu zużyciu energii elektrycznej odpowiadają małe wartości temperatury zewnętrznej.
Tabela 2. Wartości współczynników korelacji w poszczególnych latach pomiarów zużycia energii elektrycznej na ogrzewanie mieszkania:
rok | ρWT wg (2) |
1 | -0,79949 |
2 | -0,85042 |
3 | -0,53689 |
4 | -0,91651 |
5 | -0,6332 |
6 | -0,84278 |
Im ta zależność jest mocniejsza tym wartość współczynnika korelacji jest większa. Średnia wartość obliczonego współczynnika wynosi -0,76322, można zatem uważać, że potwierdzono domniemanie, że im chłodniejsze noce tym większe zużycie energii elektrycznej na ogrzewanie. Zastosowane narzędzie statystyki wskazuje na pewną anomalię w roku trzecim i piątym.
Podobną analizę przeprowadzono dla korelacji między zużyciem rocznym energii i najniższej temperatury w ciągu roku. Współczynnik ten wynosi 0,04. Oznacza to, że nie ma związku między tymi wielkościami. Współczynnik korelacji danych przedstawionych na rys. 7 wynosi 0,55.
Podsumowanie
Ocieplenie ścian budynku w bardzo dużym stopniu obniżyło zużycie energii elektrycznej na ogrzewanie pomieszczeń. Nocna temperatura pomieszczeń po ociepleniu spadała do wartości ustalonej minimalnej jedynie w pojedyncze dni, gdy temperatura zewnętrzna spadała poniżej -20°C. Przed ociepleniem dynamiczne piece akumulacyjne załączały się w nocy wielokrotnie w celu podtrzymania nastawionej minimalnej temperatury.
Nie przeprowadzono dokładnej analizy ekonomicznej zwrotu nakładów poniesionych na inwestycję. Powodem jest znaczna zmienność czynników w istotny sposób wpływających na wynik analiz. Oprocentowanie podjętego kredytu zmieniało się niejednorodnie od 8,54% do 5,6%. Koszt energii w taryfie nocnej wzrastał (sumarycznie o 36%). Zwrot nakładów w uzależnieniu od branych pod uwagę czynników nastąpi w skrajnych przypadkach po 26 lub 19 latach.
LITERATURA:
[1] Handlerkatalog, Heim- und Warmwassergerate. Dimplex
[2] Klugmann-Radziemska E.: Odnawialne źródła energii. Przykłady obliczeniowe. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej 2009
[3] PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku - Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła - Metoda obliczania
[4] wwv.weathearonline.pl
[5] Brandt S.: Analiza danych. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002
REKLAMA |
REKLAMA |