Jak poprawić efektywność energetyczną instalacji z gazowym kotłem kondensacyjnym?
Poprawa efektywności energetycznej instalacji z gazowym kotłem kondensacyjnym nie zawsze musi wiązać się z wysokimi nakładami finansowymi. Korzyści można osiągnąć m.in. przez właściwą organizację i zarządzanie systemem zaopatrzenia w ciepło.
Spis treści
- Pojęcie efektywności energetycznej budynku
- Elementy instalacji grzewczej i źródło ciepła
- Rozwiązania technologiczne decydujące o efektywności energetycznej
- Eksploatacja
- Wnioski
W Polsce, w myśl przepisów Prawa budowlanego (t.j. DzU z 2021 r., poz. 1225 ze zm.), obiekt budowlany (jako całość oraz jego poszczególne części) należy projektować i budować z zapewnieniem m.in. odpowiedniej izolacyjności cieplnej komponentów budowlanych (przegród zewnętrznych i wewnętrznych), oszczędności energii, zrównoważonego wykorzystania zasobów naturalnych (w tym również nośników energii i paliw).
Ponadto konieczne jest zagwarantowanie warunków użytkowych zgodnych z przeznaczeniem obiektu, w tym w zakresie zaopatrzenia, odpowiednio do potrzeb, w energię cieplną i paliwa, przy założeniu efektywnego wykorzystania tych czynników (art. 5 ust. 1).
Pojęcie efektywności energetycznej budynku
Jak wynika z powyższego przepisu, obiekt budowlany należy użytkować w sposób zgodny z jego przeznaczeniem i wymaganiami ochrony środowiska oraz utrzymywać w należytym stanie technicznym i estetycznym, nie dopuszczając do nadmiernego pogorszenia jego właściwości użytkowych i sprawności technicznej, w szczególności w zakresie związanym z wymaganiami określonymi w ustawie dla etapów projektowania i budowy. O ile w XX w. posługiwano się pojęciem sprawności urządzeń energetycznych, o tyle obecnie oczekuje się zapewnienia efektywności energetycznej budynku jako całego systemu połączonych i wzajemnie na siebie oddziałujących układów. Ma to istotne znaczenie, gdyż nie zawsze poprawa sprawności jednej składowej musi pociągać za sobą korzyści dla całego systemu, a wręcz może generować duże straty w pozostałych elementach.
Efektywność energetyczna budynku określana jest jako stopień przygotowania budynku do zapewnienia komfortu jego użytkowania zgodnie z przeznaczeniem przy jednoczesnym możliwie najniższym zużyciu energii. Niezbędnym wymogiem jest więc uzyskanie w pomieszczeniach odpowiednich warunków temperaturowych i dostarczania świeżego powietrza. Nie można dla osiągnięcia poprawy efektywności energetycznej i redukcji zużycia energii dążyć do pogorszenia tych warunków, np. przez niedopuszczalne obniżanie parametrów użytkowych pomieszczeń, wyłączanie ogrzewania czy rezygnację z wentylacji (zaklejanie kratek wentylacji). Wyniki badań naukowych, rozwój technologii, a przede wszystkim działania wdrożeniowe od wielu lat przekładają się na poprawę efektywności energetycznej i ograniczenie emisji gazów cieplarnianych.
Propagowanie budownictwa niskoenergetycznego czy zeroemisyjnego odnosi się przede wszystkim do nowych obiektów. Dużo większa grupa użytkowników energii to istniejące już budynki i instalacje, które jeszcze przez wiele dziesięcioleci będą stanowić większość użytkowanej infrastruktury. Poza nowymi instalacjami i źródłami ciepła trzeba mieć na uwadze właściwą eksploatację istniejących budynków i ewentualną ich modernizację. Dla poprawy efektywności energetycznej znaczenie mają metody umożliwiające zarówno zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło, jak i jego zużycie. Może to być uzyskane w wyniku wykorzystania odpowiednich technologii, ale znaczenie ma również sposób użytkowania.
W celu ograniczenia zużycia tradycyjnych paliw, a jednocześnie utrzymania dostawy ciepła w każdych warunkach, współczesne źródła ciepła coraz częściej wykorzystują odnawialne źródła energii (jako źródło wspomagające lub jako podstawowe w układach biwalentnych). OZE mogą zapewnić m.in.: spełnienie wymaganych wymogów technicznych, obniżenie kosztów eksploatacyjnych, zmniejszenie emisji CO2, a także dostęp do dofinansowania z programów wsparcia. Tego typu źródła energii wymagają starannego doboru i przemyślanego włączenia w istniejący system zaopatrzenia w ciepło/energię. Niedopasowanie do warunków pracy instalacji odbiorczej może być problemem dla zarządcy budynku ze względu np. na trudności z zapewnieniem efektywności i skuteczności wieloźródłowego systemu energetycznego lub elektroenergetycznego.
Elementy instalacji grzewczej i źródło ciepła
Pomimo prac planistycznych w Komisji Europejskiej, w których prognozuje się ograniczenia, a nawet zakaz stosowania kotłów gazowych, nie ma jeszcze ustalonych (uzgodnionych przez kraje członkowskie) planów i konkretnego kalendarza wprowadzenia tego wymagania do przepisów prawa krajowego. Trudno też przewidzieć, jak taki plan zaakceptują poszczególne kraje.
Na przestrzeni kilku ostatnich lat kotły gazowe stanowią nadal dominujący udział w liczbie sprzedawanych w Polsce urządzeń grzewczych, uwzględniając nawet rosnący z roku na rok udział pomp ciepła. Pomimo problemów, jakie na rynku globalnym wystąpiły od 2022 r. w sprzedaży paliw gazowych, gaz jeszcze długo będzie jednym z powszechnie stosowanych nośników energii pierwotnej na cele grzewcze. Chociaż warunki techniczne [Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. DzU z 2022 r., poz. 2351)] już nie traktują źródła ciepła jako elementu instalacji centralnego ogrzewania, to jednak jest ono istotną częścią systemu zaopatrzenia w ciepło budynku. Do źródeł ciepła budynków (nie tylko mieszkalnych) zalicza się również układ przygotowania c.w.u. Na zużycie ciepła do tego celu wpływa nie tylko wykorzystanie podgrzanej wody, ale również straty w instalacji cyrkulacyjnej.
Samą instalację centralnego ogrzewania można podzielić na odbiorniki ciepła (grzejniki) oraz przewody rozprowadzające czynnik grzewczy wraz z niezbędną armaturą i osprzętem. W przypadku ogrzewań dwururowych można wyróżnić przewody rozprowadzające po kondygnacji (mieszkaniu), piony oraz przewody łączące źródło ciepła z pionami.
Na poprawę efektywności energetycznej budynku ma więc wpływ wiele wzajemnie ze sobą powiązanych elementów. Korzystne działania można podjąć na etapie projektowania, budowy lub użytkowania budynku i jego instalacji. Ważne jest, aby na poszczególnych etapach zapewnić skuteczny monitoring i analizę gospodarki ciepłem oraz wykrywanie źródeł jego niepotrzebnych strat. Niestety doświadczenie pokazuje, że przy budowie systemu pomijane są nawet najprostsze rozwiązania pomiarowe służące nie tyle do podziału kosztów ogrzewania, ile do obserwacji zużycia energii i identyfikacji jej strat w układzie.
Przeczytaj również:
- Domy z kotłem na gaz bez pozwolenia na użytkowanie! Wyjaśniamy dlaczego?
- Ogrzewanie gazowe w budynkach wielorodzinnych - wymagania
Rozwiązania technologiczne decydujące o efektywności energetycznej
Dobór kotła
W instalacjach grzewczych z gazowymi kotłami kondensacyjnymi najistotniejszym elementem decydującym o efektywności przetwarzania energii pierwotnej zawartej w paliwie na ciepło jest kocioł. Jego dobór następuje w fazie projektowania, a wielkość powinna odpowiadać obliczeniowym potrzebom instalacji odbioru ciepła (ogrzewanie, układ przygotowania ciepłej wody użytkowej, nagrzewnice centrali wentylacyjnej/klimatyzacyjnej itp.). Poza doborem samego urządzenia znaczenie ma m.in. ustalenie parametrów pracy (temperatury zasilania i powrotu), schemat technologiczny połączenia urządzeń składających się na źródło ciepła i układ automatycznej regulacji.
Kotłownia musi elastycznie reagować na zmiany obciążenia cieplnego, a wraz z nimi nie może obniżać się jej sprawność. Zapotrzebowanie na ciepło instalacji c.o. w ciągu sezonu grzewczego oscyluje w zakresie 15–100%. W przypadku układu c.w.u. różnice te sięgają od 0 do 100%. Właściwe rozwiązania technologii kotłowni pozwalają na ograniczenie strat postojowych czy wynikających z rozruchu urządzeń. Umożliwiają też dostosowanie (a tym samym często zredukowanie) ilości wytworzonego w postaci czynnika grzewczego ciepła do aktualnych potrzeb jego odbiorców.
Układ przygotowania c.w.u.
Na efektywność energetyczną kotłowni ma też wpływ rozwiązanie technologiczne układu przygotowania c.w.u. W Polsce dość powszechne jest stosowanie podgrzewaczy pojemnościowych. Akumulacja ciepła w podgrzewaczu pozwala na ograniczenie mocy źródła ciepła, ale nie zapewnia dobrego wychłodzenia czynnika grzewczego i powoduje powrót do źródła czynnika grzewczego o temperaturze tylko kilku lub kilkunastu stopni niższej niż temperatura zasilania. Ogranicza to możliwość kondensacji w kotle, a tym samym jego sprawność. Dużo lepszym rozwiązaniem może być zasobnik ładowany pompą. Temperatura powracającego do kotła czynnika grzewczego jest wówczas tylko o kilka stopni wyższa od temperatury wody zimnej.
Źródłem strat ciepła, zmniejszającym efektywność energetyczną budynku, jest instalacja cyrkulacyjna. Szczególnie przy oszczędnym i ograniczonym zużyciu c.w.u. przez użytkowników budynku straty te mogą dochodzić nawet do 50% ciepła wykorzystywanego przez układ przygotowania c.w.u. Chociaż nie da się ich uniknąć, to konieczne jest ich minimalizowanie. Można to osiągnąć przez zaprojektowanie struktury użytkowej budynku w taki sposób, aby ograniczyć długość przewodów instalacji wodociągowej, jak również np. dzięki odpowiedniemu doborowi średnic rurociągów, ich dobrej izolacji cieplnej itp.
Przesył ciepła między kotłownią a grzejnikami
Kolejne straty są generowane podczas przesyłu ciepła między kotłownią a grzejnikami. Geometria instalacji c.o. powinna być tak zaplanowana, aby rurociągi prowadzić jak najkrótszą trasą, zapewnić ich prawidłową izolację (szczególnie w przestrzeniach nieogrzewanych, tj. szachtach instalacyjnych, czy o obniżonych temperaturach użytkowych – garażach, piwnicach, kondygnacjach technicznych).
Warto też mieć na uwadze to, że wielkość strat zależy od wielkości powierzchni, przez którą mogą one nastąpić. Z tego powodu korzystne są mniejsze średnice rurociągów i projektowanie instalacji na wyższe prędkości przepływu. Chociaż będzie to wymagać większych powierzchni grzejników, to uzyskanie niższej temperatury powrotu wpłynie zarówno na zmniejszenie strumienia czynnika grzewczego (tym samym na średnicę rurociągów), jak i na straty ciepła w przewodach powrotnych instalacji c.o.
Kilkadziesiąt lat temu straty ciepła rurociągów c.o. i w instalacji cyrkulacyjnej były traktowane jako zyski ciepła ogrzewanych pomieszczeń. Zmiana geometrii instalacji, która nastąpiła jeszcze w ubiegłym wieku, powoduje, że obecnie nie można ich już tak traktować, a niewłaściwe rozwiązania projektowe (nawet gdy spełniają minimalne wymagania ustalone w warunkach technicznych (t.j. DzU z 2022 r., poz. 2351) mogą znacząco obniżyć efektywność energetyczną budynku. Znaczenie tego elementu gospodarki ciepłem wzrasta wraz z ograniczaniem strat przez przegrody zewnętrzne. Stanowi bowiem coraz większy udział procentowy zużycia ciepła na cele grzewcze, szczególnie gdy użytkownicy instalacji ograniczają wykorzystanie ogrzewania w pomieszczeniach.
W nowym budownictwie mieszkaniowym wielorodzinnym, w instalacjach c.o. z ciepłomierzami mieszkaniowymi, źródłem strat ciepła mogą być szafki rozdzielaczowe i ciepłomierzowe. Najczęściej wykonane są one z cienkiej blachy, bez izolacji cieplnej. W przestrzeni wewnętrznej szafki temperatura powietrza (ze względu na zyski ciepła od instalacji c.o.) może być nawet o ponad 20°C wyższa od temperatury sąsiadującego pomieszczenia. Zjawisko to wymusza przepływ ciepła pomiędzy tymi przestrzeniami. Zastosowanie w tej sytuacji warstwy izolacji cieplnej może o kilka procent ograniczyć straty energii na przesyle w instalacji c.o.
Łączenie różnych źródeł energii
Omawiając technologiczne rozwiązania poprawy efektywności energetycznej instalacji z gazowym kotłem kondensacyjnym, koniecznie należy wspomnieć o zasadności łączenia w źródłach ciepła różnych źródeł energii, m.in. odnawialnych. Rozważyć należy możliwość wykorzystania energii słonecznej (np. wykorzystanie nadwyżki energii elektrycznej produkowanej przez panele PV), pomp ciepła czy też ciepła odpadowego (np. z usuwanego przez wentylację wywiewną powietrza). Jako alternatywę dla kotłowni gazowych po 2030 r. w „Długoterminowej strategii renowacji budynków” (Uchwała nr 23/2022 Rady Ministrów z dnia 9 lutego 2022 r.) Rada Ministrów wskazuje właśnie na zastosowanie rozwiązań hybrydowych.
Eksploatacja
Nawet po zastosowaniu w kotłowni i instalacjach odbioru ciepła wysokosprawnych urządzeń i prawidłowego ich doboru ze względu na potrzeby cieplne budynku brak odpowiedniej eksploatacji układu może prowadzić do istotnego obniżenia jego efektywności energetycznej. Już na etapie projektowania należy wybrać właściwe warunki pracy urządzeń, sposób regulacji oraz nastawy. Nadal często zdarza się, że w dokumentacji projektowej zostają pominięte wskazania nastaw układu regulacji (kocioł, pompa elektroniczna) lub są one nieprawidłowo dobrane.
Ponadto zarządca budynku skupia się na zapewnieniu niezawodności dostawy ciepła, pomijając aspekt efektywności wykorzystania energii zawartej w spalanym paliwie. Zasady rozliczania kosztów ogrzewania powodują, że w budynkach wielorodzinnych koszt dzielony jest na poszczególne mieszkania. Mając więc na uwadze zapewnienie dobrej gospodarki ciepłem, przede wszystkim należy dążyć do tego, aby zmiany obciążenia cieplnego nie powodowały spalania nadmiernej ilość gazu i odprowadzania nadwyżki ciepła do otoczenia budynku lub przegrzewania przestrzeni nieużytkowych (np. szachty instalacyjne) i użytkowych (piwnice, klatki schodowe, przestrzenie ogrzewane).
Przed podejmowaniem wszelkiego rodzaju decyzji niezbędna jest odpowiednia diagnoza uwarunkowań. Dlatego bardzo ważnym elementem systemu zaopatrzenia w ciepło, nawet w niewielkich obiektach, powinny być układy pomiarowe.
Od stycznia 2023 r. weszło w życie Rozporządzenie Ministra Klimatu I Środowiska z dnia 7 grudnia 2021 r. w sprawie warunków ustalania technicznej możliwości i opłacalności zastosowania ciepłomierzy, podzielników kosztów ogrzewania oraz wodomierzy do pomiaru ciepłej wody użytkowej, warunków wyboru metody rozliczania kosztów zakupu ciepła oraz zakresu informacji zawartych w indywidualnych rozliczeniach (DzU z 2021 r., poz. 2273). Przepisy te uzależniają ograniczanie wykorzystania energii od informacji o zidentyfikowaniu występowania nadmiernego jej zużycia. W tym celu opomiarowanie źródła ciepła musi być bardziej szczegółowe niż wcześniej stosowane (np. pomiar ilości paliwa i podgrzewanej ciepłej wody).
Właściciele lokali mają też mieć zapewnione częste otrzymywanie informacji o zużyciu ciepła w swoim lokalu mieszkalnym i związanych z nim kosztach. Działanie to ma zapewnić świadome i racjonalne ograniczenie zużycia. Konieczność dodatkowego opomiarowania źródła ciepła oraz większa częstotliwość przetwarzania związanych z tym informacji w pierwszym odruchu może być oceniana jako zbędny koszt czy problem organizacyjny. Jednak wykorzystanie takich danych do oceny efektywności energetycznej daje bardzo dużą możliwość ograniczenia kosztów zaopatrzenia w ciepło.
Konieczna jest w tym kontekście również właściwa identyfikacja stanów awaryjnych, często utożsamianych z przerwaniem dostawy ciepła. Taka awaria jest łatwa do wykrycia, gdyż o jej wystąpieniu powiadamiają użytkownicy (nawet dużo szybciej niż ewentualny system monitoringu). Obecnie za awarię trzeba też uznać stan systemu zaopatrzenia w ciepło, w którym zużywa on zbyt dużo energii pierwotnej (zawartej w spalanym paliwie) w stosunku do uzyskiwanych efektów (komfort ciepła w pomieszczeniach czy dostęp do c.w.u. o właściwych parametrach).
W przypadku kotłowni gazowych narzędziem do identyfikacji nieprawidłowego działania może być porównanie zużycia paliwa gazowego do ilości ciepła wytworzonego lub wykorzystanego przez jego odbiorców [m3/GJ]. W celu zapewnienia możliwości jak najszybszego wykrycia awarii korzystne byłoby wyznaczenie takiego współczynnika w cyklu dobowym. Wartość obliczona dla miesięcznego przedziału czasowego także ma spore znaczenie diagnostyczne. Odchylenie takiego wskaźnika względem wartości średniej (lub z sąsiednich dób/miesięcy), z uwzględnieniem warunków temperaturowych, powinna być sygnałem do poszukiwania przyczyny nieprawidłowości w działaniu instalacji lub poszczególnych jej urządzeń.
Wnioski
Poprawa efektywności energetycznej instalacji z gazowym kotłem kondensacyjnym nie zawsze musi oznaczać wysokie nakłady finansowe. Korzyści można osiągnąć m.in. przez właściwą organizację i zarządzanie systemem zaopatrzenia w ciepło.
Na efektywność energetyczną budynku składają się m.in. sprawność kotła, kotłowni i układu przygotowania c.w.u., straty ciepła instalacji cyrkulacji c.w.u. i c.o. na przesyle, a także nadmierne ogrzewanie przestrzeni wspólnych budynków. Jej poprawa to nie tylko mniejszy koszt ogrzewania, lecz także zmniejszenie emisji zanieczyszczeń towarzyszącej przetworzeniu paliwa na ciepło. Skutkiem jest również ograniczenie wykorzystania nieodnawialnych zasobów paliw kopalnych.
Podstawą do podjęcia działań mających na celu poprawę efektywności energetycznej systemu grzewczego musi być zarówno diagnoza stanu, jak i możliwość jej porównania (np. na bazie tzw. benchmarków) do poziomu odniesienia, stanowiącego wyznacznik standardu wzorcowego lub docelowego. Musi to też być działanie ciągłe, a nie jednorazowe.
Poprawa wykorzystania energii pierwotnej (zawartej w paliwie) może jednak wymagać poniesienia najpierw nakładów inwestycyjnych. Każde działanie, którego efektem będzie ograniczenie strat ciepła lub poprawa sprawności pracy urządzeń zainstalowanych w źródle ciepła (np. przez dobór nastaw regulatora), przekładać się będzie na mniejsze koszty eksploatacyjne. Należy mieć na uwadze, że uzyskane oszczędności nie zawsze będą rekompensować poniesione nakłady lub okres zwrotu inwestycji może być dłuższy niż czas eksploatacji tych urządzeń. Przy podejmowaniu decyzji o przeprowadzeniu modernizacji należy uwzględnić wiele argumentów, nie tylko finansowych.
Skuteczność wykorzystania energii pierwotnej zawartej w paliwie powinna stanowić zachętę dla zarządcy budynku do rozpoznania możliwości poprawy efektywności energetycznej. Z punktu widzenia tego podmiotu jest to jednak cel drugorzędny, gdyż przede wszystkim priorytetem jest zapewnienie niezawodności dostawy ciepła i brak skarg lokatorów na przerwy w ogrzewaniu czy też jego niezadowalająca jakość.
Zwiększenie efektywności energetycznej systemu zaopatrzenia w ciepło niesie za sobą korzyści finansowe dla właścicieli – pod względem ograniczenia kosztów utrzymania zarówno całej nieruchomości, jak i poszczególnych lokali mieszkalnych. Zasadny jest kierunek działań (w tym legislacyjnych), który prowadzi do uznania również za nieprawidłowość (awarię) obniżenie efektywności energetycznej instalacji i nadmierne zużycie energii pierwotnej w celu zapewnienia warunków komfortu cieplnego w pomieszczeniach użytkowych.
