Wpływ warunków klimatycznych i budowlanych na zużycie energii elektrycznej gospodarstwa domowego

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.

Wyniki pomiarów energii elektrycznej

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 ΔW_d, 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 W_n 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
 

Zmiany poboru energii elektrycznej 

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:

W_r - energia pobrana w kolejnym roku,

W_m - 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.

Wyniki pomiarów średnich temperatur 

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 T_min 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:

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 ρ_W,T między tymi wielkościami jako [5]

gdzie:

σ_w- odchylenie standardowe energii,

σ_T - odchylenie standardowe temperatury, które można obliczyć z zależności odpowiednio:

oraz:

gdzie:

n - liczba pomiarów w każdym roku,

W_i - średnia wartość dziennego zużycia energii w czasie między pomiarami,

T_i - średnia wartość najniższej temperatury w czasie między pomia­rami,

T_av , W_av - 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: