Sposoby ogrzewania energooszczędnych domów

Dobry system grzewczy przede wszystkim powinien:

• zapewnić wysoki poziom komfortu cieplnego;
• pokryć straty ciepła przez przenikanie, wentylację i infiltrację;
• pozwolić na maksymalne wykorzystanie zysków ciepła;
• mieć możliwie wysoką sprawność wytwarzania, dystrybucji i wykorzystania ciepła.

Ciepło przeznaczane na cele grzewcze stanowi ok. 65-85% zużywanej energii. Udział energii cieplnej przypadającej na ogrzewanie zależy głównie od jakości (izolacyjności) budynku, sprawności (efektywności) urządzeń wytwarzających ciepło i instalacji rozprowadzających w nim ciepło oraz od lokalnych warunków klimatycznych.

Systemy ogrzewania w domach jednorodzinnych, ze względu na rodzaj źródła ciepła, możemy dzielić na:

• gazowe;
• olejowe;
• węglowe;
• elektryczne (oporowe i do napędu pompy ciepła);
• zdalaczynne (ciepło z miejskiej sieci cieplnej);
• źródła odnawialne - biomasa, słońce, wiatr.

Ze względu na sposób i mechanizm rozprowadzenia ciepła w budynku, wyróżniamy następujące systemy wewnętrznych instalacji grzewczych:

• wodne;
• powietrzne;
• elektryczne (oporowe).

W praktyce możemy spotkać różne kombinacje wyżej wymienionych rozwiązań.

Może cię zainteresować

Czy dom na zgłoszenie może być samowystarczalny energetycznie?

Pojawiają się także nowe, np. małe układy kogeneracyjne, które służą do wytwarzania jednocześnie ciepła i energii elektrycznej, czy systemy hybrydowe, wykorzystujące OZE. O tym, które i w jakich przypadkach warto zastosować w budynkach energooszczędnych piszemy w tym artykule.

Straty ciepła i zapotrzebowanie na moc grzewczą w budynkach energooszczędnych

Nawet najlepsze technologie budowlane nie pozwalają na wzniesienie budynku, w którym nie byłoby strat ciepła. Powstają one przez:

• przenikanie (straty ciepła przez ściany, dach, podłogę, okna i drzwi - przez ich powierzchnię oraz mostki cieplne);
• wentylację (konieczność podgrzania powietrza wentylacyjnego);
• nieszczelność budynku (niekontrolowany przepływ powietrza).

W budynku tradycyjnym największe straty ciepła powstają na skutek przenikania przez ściany i dach oraz w wyniku podgrzewania powietrza wentylacyjnego, natomiast w budynkach energooszczędnych najwyższe straty są efektem przenikania ciepła przez okna.

Aby zapewnić komfort cieplny mieszkańcom, straty ciepła muszą być pokryte przez zyski ciepła i ogrzewanie. Potrzeby cieplne budynku charakteryzuje parametr nazwany zapotrzebowaniem na ciepło.

Dla standardowego domu z mostkami cieplnymi parametr ten będzie miał wartość dla warunków obliczeniowych ok 60-80 W/m2 i na tyle powinno być wykonane ogrzewanie. Jednak instalatorzy powszechnie przyjmują zapotrzebowanie na poziomie 100 W/m2. Dzięki znacznemu ograniczeniu strat ciepła przez przenikanie i wentylację, zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania w domach energooszczędnych wynosi ok. 30 W/m2, a dla budynków pasywnych 10 do 20 W/m2.

Istotnym parametrem opisującym budynek pod względem energetycznym jest zapotrzebowanie na moc systemu grzewczego. Moc systemu grzewczego określa wielkość urządzeń grzewczych niezbędną do zapewnienia komfortu cieplnego i zależy między innymi od standardu energetycznego budynku i strefy klimatycznej, w której się on znajduje.

Przyjmując, że temperatura powietrza w pokojach powinna wynosić 20°C, przy zewnętrznej temperaturze obliczeniowej równej w największej strefie klimatycznej w Polsce -20°C, to w typowym nowym domu jednorodzinnym o powierzchni użytkowej 100 m2 do ogrzewania wystarczające będzie źródło ciepła o mocy 6-8 kW, w standardzie energooszczędnym ok. 3 kW, oraz 1-2 kW w standardzie pasywnym.

Standard energetyczny określa maksymalny dopuszczalny poziom zużycia przez budynek energii pierwotnej, końcowej albo użytkowej. Wyrażany jest najczęściej w kWh/(m2·rok). Może być narzucony przez przepisy prawne (WT 2017, WT 2021) lub zdefiniowany przez twórców danej technologii - np. standard budynku pasywnego, lub instytucje finansujące - np. standard NF 15. Więcej informacji...

Budować dom energooszczędny czy pasywny?

Wykorzystanie zysków ciepła w budynku energooszczędnym

Oprócz strat ciepła, w budynkach występują zyski bytowe i słoneczne. Optymalne wykorzystanie tych zysków jest podstawą współczesnego budownictwa energooszczędnego. Im większe są zyski a mniejsze straty, tym mniej energii należy doprowadzić, aby zapewnić odpowiednią temperaturę w pomieszczeniu.

Zyski bytowe powstają w wyniku wytwarzania ciepła w procesach: gotowania, prania, mycia, działania urządzeń RTV, AGD, IT, oświetlenia itp.

Zyski słoneczne powstają, gdy promieniowanie słoneczne dociera bezpośrednio do wnętrza domu przez przegrody przezroczyste (okna) oraz pośrednio przez przegrody nieprzezroczyste (ściany, dach). Bezpośrednie ogrzewanie promieniowaniem słonecznym pomieszczeń ma sens tylko wtedy, kiedy znajdują się w nich elementy akumulujące ciepło. Mogą to być masywne elementy ścienne lub podłogowe.

W przeciwnym razie ciepło odczuwałoby się w nich jedynie w czasie, kiedy świeci słońce. Na wielkość i stopień wykorzystania zysków ma wpływ nie tylko charakterystyka energetyczna budynku, ale również warunki otoczenia budynku i sposób jego użytkowania.

Kluczowy wpływ na bilans energetyczny domu może mieć jego lokalizacja i usytuowanie względem stron świata. Dlatego główne okna powinno się planować na elewacjach skierowanych od południowego wschodu do południowego zachodu (umożliwiając zyski od słońca).

Na elewacji północnej - najkorzystniejszy byłby brak okien. Południowe, wschodnie i zachodnie okna należy wyposażyć w elementy zacieniające, najlepiej ruchome (rolety, żaluzje, okiennice) lub też stałe (okapy, balkony, elementy dachu). Rodzaj szyb oraz rozmiar przeszkleń musi być dopasowany do położenia i panującego klimatu. Zyski wynikające z nasłonecznienia mogą nawet przewyższyć straty ciepła - zwiększone w wyniku zastosowania rozleglejszych szklanych powierzchni.

Ważną rolę w wykorzystaniu promieniowania słonecznego pełnią różnego rodzaju przeszklone przybudówki, jak ogrody zimowe, ganki, werandy. Tego typu obiekty powinny być oszklone szybami o wysokim współczynniku przepuszczania promieniowania słonecznego do wewnątrz i niskim współczynniku przenikania ciepła.

Przeszklona przybudówka. fot. www.ogrody-zimowe.pl

Wzrost temperatury wewnętrznej w przybudówce w czasie oświetlania jej promieniami słonecznymi spowodowany jest tzw. efektem szklarniowym (cieplarnianym). Weranda albo ogród zimowy są jednocześnie elementami pozyskującym i magazynującym ciepło. Jest to bardzo korzystne zimą, bo powietrze ogrzane w tym pomieszczeniu przedostaje się do przyległych przez specjalne otwory wentylacyjne.

Otwierając je bądź przymykając, można regulować ilość przekazywanego ciepła. Zazwyczaj istnieją też zewnętrzne otwory wentylacyjne, które pozwalają na pozbycie się nadmiaru ciepła latem. Przepływ powietrza można wspomagać pracą niewielkiego wentylatora.

Dostęp promieniowania słonecznego można regulować, stosując izolacyjne rolety zewnętrzne na oszkleniach przybudówek. W lecie takie rozwiązanie ograniczy przegrzewanie się pomieszczeń, natomiast w zimie radykalnie ograniczy straty ciepła przez szyby nocą.

Szklana przybudówka jest bardzo wydajnym kolektorem, którego duża efektywność jest odczuwalna szczególnie w chłodnym klimacie. Tak pożądane zimą ciepło od promieniowania słonecznego w okresach letnich staje się problemem użytkowników energooszczędnego budynku z przeszkleniami, zaprojektowanymi do pozyskiwania ciepła zimą.

Zaniedbania w kwestii ochrony budynku przed nadmiernymi zyskami od promieniowania słonecznego spowodują niedotrzymanie komfortu wewnętrznego (i zwiększone zapotrzebowanie na chłód). Temperatury wewnętrzne mogą wzrastać nawet do 30°C jeszcze w sezonie grzewczym.

Przy projektowaniu budynku energooszczędnego, wymaga się przeprowadzenia indywidualnej całorocznej analizy energetycznej, ekonomicznej i technicznej.

W budynku o niskim zapotrzebowaniu na ciepło, otoczenie i sposób użytkowania wpływają znacznie mocniej na komfort wewnętrzny i wynik energetyczny obiektu, niż w budownictwie standardowym.

Zdolność budynku do akumulacji ciepła

Zdolność budynku do akumulacji ciepła polega na magazynowaniu ciepła w konstrukcji i powolnemu oddawaniu go, gdy pomieszczenie ulega wychłodzeniu. Zależy od rodzaju materiału, z jakiego wykonana jest konstrukcja - im grubszy, o dużej gęstości i masywniejszy, tym lepiej akumuluje ciepło.

Duża masa akumulacyjna sprzyja ustabilizowaniu temperatury wewnętrznej, gdyż podczas ogrzewania pomieszczenia wzrasta temperatura nie tylko powietrza, ale także przegród. Wymagana ilość masy akumulacyjnej w domach jednorodzinnych nie jest zbyt wysoka, wystarczy na przykład masywna podłoga lub ściana wewnętrzna w budynku o lekkiej konstrukcji drewnianej.

Innym rozwiązaniem, które zwiększa pojemność cieplną w budynkach o konstrukcji drewnianej, jest zastosowanie w jego przegrodach materiałów zmiennofazowych (PCM). Ich działanie polega na pochłanianiu ciepła z otoczenia, skutkującego zmianą stanu skupienia ze stałego w ciekły, oraz oddawaniu go w momencie spadku temperatury z równoczesnym powrotem do stałego stanu skupienia.

W sezonie letnim trzeba ograniczyć napływ słońca i ciepła przez duże przeszklenia. Zdecydowanie lepiej spisują się osłony zewnętrzne (po lewej) niż wewnętrzne (po prawej). fot. Fakro

Zwiększająca się pojemność cieplna materiałów zmiennofazowych nie powoduje znacznego wzrostu masy, zatem można je wkomponowywać w materiały budowlane, polepszając ich właściwości. Innym sposobem na wykorzystanie materiałów typu PCM są okiennice z materiałem zmiennofazowym.

W ciągu dnia takie osłony (okiennice i żaluzje montowane na zewnątrz okien) wystawione są na działanie promieniowania słonecznego. Absorpcja promieniowania słonecznego powoduje topnienie składników zmiennofazowych i zmagazynowanie ciepła. W nocy okiennice są zamykane, a ciepło jest uwalniane do pomieszczenia. Niestety, materiały typu PCM są wciąż dość drogie, więc rzadko stosowane w budownictwie.

Długość sezonu grzewczego w budynku energooszczędnym

Długość sezonu grzewczego zależy od wielu czynników, takich jak parametry klimatyczne, położenie, jakość przegród zewnętrznych budynku, sposób wentylacji, pojemność cieplna przegród wewnętrznych i zewnętrznych, szczelność budynku, wielkość okien, istniejąca instalacja wewnętrzna c.o. i c.w.u., straty ciepła na przewodach, zyski bytowe.

W większości rejonów Polski sezon grzewczy w standardowych budynkach trwa około 8 miesięcy. W budynkach energooszczędnych możemy znacznie skrócić długość sezonu grzewczego, bazując na zjawisku akumulacji ciepła oraz zyskach słonecznych i bytowych.

Sposoby ogrzewania energooszczędnych domów

W przypadku budynków z małym zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania, rzędu 10 do 20 W/m2, możliwa jest rezygnacja z tradycyjnego ogrzewania wodnego i zastosowanie ogrzewania powietrznego. Do wyboru jest kilka rozwiązań. Najpopularniejsze jest ogrzewanie nadmuchowe, gdzie powietrze ogrzewa piec nadmuchowy z wymiennikiem ciepła - zasilany gazem, olejem opałowym, ciepłą wodą - lub wyposażony w elektryczną nagrzewnicę. Poza tym można w tym celu wykorzystać kocioł gazowy kondensacyjny, pompę ciepła powietrze/powietrze albo nagrzewnicę powietrza na paliwa stałe.

Do ogrzewania powietrza w domach jednorodzinnych można również przeznaczyć kominek z systemem DGP. Gorące powietrze rozprowadzane jest kanałami powietrznymi z blachy ocynkowanej, kierowanymi najczęściej wzdłuż ścian i w stropach podwieszanych lub w nieużytkowej części poddasza. Na końcu kanałów znajdują się nawiewniki (na ogół anemostaty). Powietrze tłoczone jest przez wentylator. W centralnym punkcie domu sytuuje się kanał pobierający powietrze wewnętrzne do ogrzewacza i w ten sposób mamy zapewnioną cyrkulację czynnika grzewczego. W domu pasywnym możemy wykorzystać do systemu ogrzewania powietrznego kanały wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła.

Ciekawym systemem ogrzewania jest tzw. fundament grzewczy. W izolowanej termicznie płycie fundamentowej układa się stalowe rury, w których krążyć będzie w zamkniętym obiegu gorące powietrze, podgrzewane specjalnymi urządzeniami. Najczęściej są to podgrzewacze elektryczne lub gazowe, ale może to być również kominek na biomasę. Takie ogrzewanie daje zbliżony do idealnego, korzystny rozkład temperatury w pomieszczeniu.

Betonowa płyta ma dużą bezwładność cieplną, co może sprawiać problemy z regulacją temperatury w czasie dużych wahań temperatury powietrza zewnętrznego. Dlatego stosowane jest zazwyczaj na obszarach o małej ilości przejść przez zerową temperaturę w okresie zimy i długim sezonie grzewczym, np. w Skandynawii. Ogrzewanie to zalecane jest szczególnie w domach parterowych.

Fundament grzewczy. fot. Legalett

Kolejnym ciekawym system grzewczym jest niskotemperaturowe ogrzewanie płaszczyznowe, realizowane jest najczęściej za pomocą mat lub folii grzejnych, umieszczanych na przegrodach budowlanych (podłogi, sufity, ściany), przykrywanych na ogół cienką warstwą maskującą.

Przy wyborze systemu ogrzewania decyduje stosunek kosztów inwestycyjnych do eksploatacyjnych. Dlatego warto przygotować analizę kosztów w cyklu życia budynku, sumując wydatki na wykonanie systemu grzewczego i koszty eksploatacyjne.

W warunkach polskich zwykle najlepszym sposobem wytwarzania ciepła w domu jednorodzinnym - biorąc pod uwagę sumaryczne koszty w całym cyklu życia instalacji - jest zastosowanie kondensacyjnego kotła gazowego, jeśli do działki doprowadzona jest sieć gazowa.

Jeżeli nie ma takiej możliwości, alternatywą jest pompa ciepła współpracująca z niskotemperaturowym ogrzewaniem podłogowym, pobierająca ciepło z gruntu lub powietrza, kolektory słoneczne współdziałające np. z kominkiem z płaszczem wodnym, albo korzystanie tylko z energii elektrycznej, przede wszystkim w tzw. drugiej taryfie.

Kolejnym urządzeniem grzewczym używanym w domach pasywnych jest kompaktowe urządzenie grzewcze, zapewniające pokrycie całkowitego zapotrzebowania na ciepło do przygotowania c.w.u. i ogrzania pomieszczeń. Jego głównym elementem jest mała sprężarkowa pompa ciepła (o mocy około 1500 W), pobierająca ciepło z usuwanego powietrza za wymiennikiem rekuperatora. Mimo że powietrze to jest już schłodzone, nadal jest cieplejsze od zewnętrznego oraz zawiera ciepło w postaci powstałej w budynku pary wodnej,

W domach energooszczędnych o najwyższych klasach energetycznych (pasywny zeroenergetyczny netto, plusenergetyczny), jednostkowa cena nośników energii przestaje mieć znaczenie, bo koszty ogrzewania są niewielkie. Dlatego w takim przypadku coraz częściej o wyborze sposobu ogrzewania przesądzają łączne koszty wykonania instalacji i jej późniejszej eksploatacji, poza tym wygoda użytkowania. Przy takim podejściu konkurencyjne staje się ogrzewanie oparte o energię elektryczną. W tradycyjnym budownictwie w rachunku za ogrzewanie kluczowa jest cena paliwa.

Decyzja o rezygnacji z kotła na rzecz ogrzewania elektrycznego ma także negatywne konsekwencje - wzrosną koszty przygotowania ciepłej wody użytkowej, dla której zapotrzebowanie na ciepło do jej przygotowania jest mniej więcej na stałym poziomie. Koszty c.w.u. można jednak ograniczyć dzięki kolektorom słonecznym czy pompie ciepła tylko do c.w.u.

Ciekawym, aczkolwiek drogim i mało popularnym rozwiązaniem jest zastosowanie w domu jednorodzinnym skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej w oparciu o urządzenia małych mocy. Średnia sprawność urządzeń mikrokogeneracyjnych wynosi ok. 85%. To jakby elektrociepłownia w miniaturze. Ciepło przez cały rok możemy wykorzystać do podgrzewania c.w.u., a w okresie grzewczym do ogrzewania. Energia elektryczna zostanie przeznaczona na potrzeby mieszkańców, jej ewentualna nadwyżka może być odsprzedana do sieci dystrybucyjnej.

Kiedy ogrzewanie elektryczne ma sens? Zastanówmy się nad rozwiązaniami w dziedzinie elektrycznego ogrzewania, wygodą jaką nam oferuje, ale także zmartwieniem czy poradzimy sobie z kosztami eksploatacyjnymi.

Sterowanie ogrzewaniem i temperaturą w domu

Sterowanie ogrzewaniem polega na utrzymywaniu określonej temperatury w pomieszczeniach - dzięki odpowiednim zmianom temperatury nośnika ciepła (woda albo powietrze) w źródle ciepła i instalacji je rozprowadzającej. Istnieje możliwość ręcznego sterowania, ale jest to duże utrudnienie, skoro wymaga stałego zaangażowania mieszkańców. Praktycznie we wszystkich współcześnie budowanych lub remontowanych domach stosuje się sterowanie automatyczne.

Dostępne są złożone sposoby regulacji ogrzewania, np. regulacja temperatury w głównym systemie ogrzewania bazuje na regulatorze pogodowym lub/i regulatorze pokojowym. Lokalnie w danym pomieszczeniu możemy regulować temperaturę, korzystając z zaworów termostatycznych w przypadku ogrzewania wodnego albo termostatów, zamontowanych przy grzejnikach elektrycznych, ewentualnie przepustnic, stosowanych w kanałach ogrzewania powietrznego.

Krzywa grzewcza obrazuje zależność pomiędzy temperaturą zewnętrzną oraz temperaturą wody w instalacji. Niektóre regulatory temperatury potrafią same ją zmieniać dla osiągnięcia optymalnego efektu.

Zawór termostatyczny

Głównym elementem zaworu termostatycznego jest głowica, wypełniona substancją zmieniającą swą objętość wraz ze zmianami temperatury otoczenia. Wraz ze zmianą objętości substancja wywiera mniejszy lub większy nacisk na trzpień zaworu, powodując jego otwarcie bądź zamknięcie. Co prawda, temperatura wody w instalacji się nie zmienia, ale otwieranie i zamykanie zaworu skutkuje zmianami ilości wody przepływającej przez grzejnik i w rezultacie jest on cieplejszy lub chłodniejszy. Dzięki temu moc cieplna przekazywana z grzejnika do pomieszczenia jest stale dopasowywana do zmieniającej się w nim temperatury.

Poziom temperatury wybierają użytkownicy zgodnie z indywidualnymi preferencjami, ustalając położenie pokrętła głowicy zaworu. Efektem działania zaworów termostatycznych jest utrzymywanie się temperatury w pomieszczeniu na mniej więcej stałym poziomie, niezależnie od zmieniających się w nim zysków i strat ciepła.

W przypadku ogrzewania powietrznego, maksymalna temperatura nawiewanego powietrza nie powinna przekraczać 50°C, dlatego temperatura w pomieszczeniach musi być regulowana przez ilość nawiewanego powietrza. Wykorzystuje się w tym celu przepustnice, które lokalnie zmniejszają ograniczają jego przepływ przez dany kanał. Regulacja ręczna jest w praktyce niewygodna dlatego przepustnice mogą być regulowane przy pomocy siłowników elektrycznych, sterowanych termostatem założonym w danym wnętrzu.

Elektroniczna głowica grzejnikowa pozwala nie tylko utrzymywać zadaną temperaturę, ale również zaprogramować ją różnie zależnie od pory dnia. fot. Conrad

Sterowanie temperaturą czynnika grzewczego

Jak już wspomniano, możliwe są dwa sposoby sterowania temperaturą czynnika grzewczego w instalacji grzewczej. Przy pomocy regulatora pokojowego i regulatora pogodowego.

Regulator pokojowy jest to termostat ulokowany w reprezentatywnym miejscu domu i porównujący temperaturę w pomieszczeniu z wymaganą przez użytkownika.

Włącza on kocioł lub wysyła sygnał nakazujący zmianę temperatury wody przygotowywanej przez kocioł, gdy temperatura w tym wnętrzu jest niższa od nastawionej na nim wartości.

Bezprzewodowy regulator pokojowy jest bardzo wygodny, bo pozwala eksperymentalnie wybrać najlepsze miejsce pomiaru temperatury. I w każdej chwili możemy je zmienić. fot. Immergas

Regulator pogodowy ma czujnik temperatury, umieszczony za zewnątrz domu, a praca urządzenia grzewczego (kotła lub podgrzewacza powietrza) jest uzależniona od zmian temperatury zewnętrznej. Jej wartościom odpowiadają odpowiednie temperatury wody zaprogramowane w regulatorze. Zastosowanie regulacji pogodowej umożliwia utrzymywanie odpowiedniej temperatury w pomieszczeniach przy minimalnej potrzebnej do tego temperaturze wody w instalacji, co jest korzystne z punktu widzenia efektywności energetycznej urządzeń niskotemperaturowych, takich jak pompy ciepła czy kotły kondensacyjne.

Podsumowanie

Biorąc pod uwagę koszty wykonania i eksploatacji, zastosowanie gazowego kotła kondensacyjnego, współpracującego z ogrzewaniem wodnym grzejnikowym lub podłogowym, wydaje się być najlepszym sposobem wytwarzania ciepła w warunkach polskich.

Z kolei urządzenia kompaktowe działające z wykorzystaniem małego kotła kondensacyjnego albo pompy ciepła, przewidziane są specjalnie do budynków o bardzo małym zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania. Redukcja zużycia energii spowodowała, że w niektórych domach stosuje się jako optymalne finansowo ogrzewanie elektryczne. Takie rozwiązanie ma główną zaletę w postaci małych kosztów inwestycyjnych. Wadą są wysokie koszty energii, co jest szczególnie odczuwalne w przypadku przygotowywania c.w.u.

Przy projektowaniu budynków energooszczędnych, należy analizować zużycie energii i parametry komfortu nie tylko w okresie grzewczym, ale również w pozostałej części roku. Ze względu na rozwiązania umożliwiające duży udział wewnętrznych i zewnętrznych zysków ciepła w pokryciu zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania, w okresach letnich może nastąpić ryzyko przegrzewania budynku.

dr Arkadiusz Węglarz
fot. otwierająca: MULTICOMFORT Saint-Gobain/EcoReadyHouse