Wywiad z prof.Jarkiem Kurnitskim z Fińskiego Funduszu Innowacyjności Sitra.
„W branży grzewczej ciągle krąży legenda, że dla instalacji niskotemperaturowych konieczne są większe grzejniki. Większe, jednak, z pewnością nie oznacza - lepsze. Prowadząc analizy porównawcze elementów grzewczych, wyciągnąłem wnioski, że nawet w najzimniejszych okresach roku zapewnienie optymalnego poziomu temperatury w pomieszczeniu wymaga wyjątkowo elastycznej reakcji instalacji grzewczej, w postaci szybko zmieniającej się mocy cieplnej. Obydwie badane instalacje zostały ustawione na 21°C - najniższą wartość, zapewniającą komfort cieplny, a jednocześnie optymalną temperaturę wewnętrzną. Przy uwzględnionych wewnętrznych zyskach ciepła, powodujących wzrost temperatury wewnętrznej o nie więcej niż 0,5°C, instalacja z grzejnikami, dzięki właściwej jej niskiej pojemności cieplnej, reagowała szybciej i utrzymywała temperaturę pomieszczenia zbliżoną do wyznaczonej.
Wysoka pojemność cieplna ogrzewania podłogowego spowodowała znacznie wolniejszą reakcję przy pojawiających się zyskach ciepła. Oznacza to, że instalacja ta ciągle grzała, powodując przekroczenie optymalnej temperatury pomieszczenia, a co za tym idzie - dyskomfort użytkowników. W istocie, przy instalacjach ogrzewania podłogowego, wg przeprowadzonych przeze mnie badań, utrzymanie temperatury wewnętrznej zbliżonej do optymalnej wartości 21°C wymagało ustawienia temperatury zadanej na poziomie 21,5°C.”
Prof. Jarek Kurnitski jest specjalistą w branży ogrzewnictwa i wentylacji, obecnie pracuje jako ekspert ds. energii w Fińskim Funduszu Innowacyjności Sitra. Jest autorem i współautorem niemal 300 publikacji. Nagrodzony przez Europejską Federację Stowarzyszeń Ogrzewnictwa i Klimatyzacji (REHVA).
Dla wielu osób 0,5°C to wielkość nieznaczna. Mnożąc ją jednak przez godziny i dni w całym sezonie grzewczym, liczba ta nabiera znaczenia, ograniczając możliwość na zwiększenie efektywności energetycznej i oszczędności. Różnica rzędu 1 K w temperaturze wewnętrznej pomieszczenia odpowiada 6% różnicy w zużyciu energii. Szybka odpowiedź na pojawiające się zyski ciepła i niskie straty ciepła instalacji są kluczowymi elementami efektywnych energetycznie instalacji grzewczych. Regulacja centralna prowadzi do przegrzewania niektórych pomieszczeń, konsekwentnie związanego ze zwiększonym zużyciem energii, dlatego wśród wniosków, wyciągniętych z moich badań, znajduje się zalecenie stosowania instalacji niskotemperaturowych w celu redukowania strat ciepła instalacji, jak również stosowanie elementów ogrzewania z możliwością regulacji indywidualnej. Grzejniki stają się więc opcją najlepszą.
ISTOTNY DOWÓD
Profesor Jarek Kurnitski > wniosek ogólny z badania wskazuje na to, że grzejniki konwekcyjne osiągają efektywność ok. 15% wyższą w przypadku domów parterowych, a do 10% wyższą w budynkach wielopiętrowych
Profesor Christer Harrysson > w istniejących warunkach, obszary 3-6 z ogrzewaniem podłogowym miały przeciętnie o 15-25% wyższe zużycie energii (z wyłączeniem energii na cele utrzymania nieruchomości), w porównaniu ze średnią wartością dla obszarów 1 i 2, które miały instalacje z grzejnikami konwekcyjnymi
W 2008 roku Dział Badań i Rozwoju Rettig ICC rozpoczął nowy projekt. Jego celem było zweryfikowanie argumentów, tradycyjnie używanych przez branżę grzewczą. Realizacja programu badawczego zajęła nam dwa lata. W ich trakcie zebraliśmy argumenty w trzech głównych kategoriach: „Za ogrzewaniem grzejnikowym", „Przeciwko ogrzewaniu grzejnikowemu" oraz „Za innymi systemami grzewczymi".
Ostatecznie udało nam się zidentyfikować 140 argumentów i koncepcji. Po zaklasyfikowaniu ich wg wagi i połączeniu zbliżonych kwestii, do przeanalizowania, zbadania i wyciągnięcia wniosków pozostało 41 praktycznych zagadnień badawczych. W celu uzyskania bezstronnych wyników, zaprosiliśmy do współpracy niezależnych specjalistów, którzy wspomagali nas w przeprowadzeniu badań w tak rozległym zakresie. Pozyskaliśmy bliską pomoc szeregu wiodących międzynarodowych specjalistów, uniwersytetowi instytucji badawczych. W wyniku tego otrzymaliśmy bogatą dokumentację danych badawczych, wnioski oraz zalecenia.
Potwierdziliśmy, że w branży krąży wiele mitów i nieprawdziwych koncepcji. Pomimo tego, że często pojawiały one się wśród opinii rynkowych, okazały się w najlepszym przypadku nieistotne, w najgorszym zaś - z gruntu fałszywe. Za najważniejsze informacje uznaliśmy natomiast wyniki, potwierdzające wysoką efektywność grzejników, pracujących w instalacjach grzewczych w nowoczesnych, dobrze zaizolowanych budynkach.
Skupiliśmy się więc na tych właśnie wynikach, rozpoczynając we współpracy z Politechniką Helsińską własny program badawczy, obejmujący testy różnych instalacji centralnego ogrzewania. Symulacje o wysokim stopniu precyzji oraz porównania funkcji badanych instalacji ponownie potwierdziły nasze wcześniejsze wyniki i wyciągnięte wnioski na temat grzejników.
Konkretne dane
W niniejszym Poradniku już powoływaliśmy się na niektóre wyniki naszych badań. Dla Klientów ważne jest jednak, aby zdać sobie sprawę z tego, że nasze wyniki nie opierają się wyłącznie na teoriach naukowych, ale również na konkretnych danych, pochodzących z badań przeprowadzonych w niedawno wybudowanych domach o niskim zapotrzebowaniu na energię, zlokalizowanych w Skandynawii. Przykłady te wybrano, uwzględniając fakt, że kraje skandynawskie od wielu lat doskonalą budownictwo o niskiej energochłonności i wysokim stopniu zaizolowania. Nasza współpraca z uniwersyteckimi pracownikami naukowymi, wśród których znaleźli się m.in. prof. Leen Peeters (z Uniwersytetu Brukselskiego) i prof. Dietrich Schmidt (z niemieckiego Instytutu Fraunhofera) pozwala nam obecnie stwierdzić, z wysokim stopniem pewności, że nasze wyniki i wyciągnięte z nich wnioski sprawdzają się dla znacznej większości krajów europejskich.
W dodatku do przewidzianych teoretycznie oszczędności, które wymieniłem w poprzednich rozdziałach, szereg badań przeprowadzonych w tym samym okresie skupił się na pomiarach efektywności nowoczesnych instalacji grzewczych i porównaniu zużycia energii różnych elementów grzewczych. W niniejszym rozdziale przedstawimy najważniejsze wyniki, uzyskane dla tych konkretnych projektów badawczych przez profesorów Jarka Kurnitskiego i Christera Harryssona.
Wszystkie projekty badawcze na które powołujemy się w Poradniku, wskazują na przynajmniej 15%-ową możliwość zwiększenia efektywności energetycznej, przy zastosowaniu instalacji centralnego ogrzewania z grzejnikami konwekcyjnymi. To ostrożne oszacowanie - niektóre badania wskazały, że wynik ten jest nawet wyższy, ze względu na silny wpływ zachowania użytkowników budynków, wyższe temperatury w pomieszczeniach, dłuższy sezon grzewczy itp.
Badania prof. Jarka Kurnitskiego potwierdziły znaczący wpływ pojemności cieplnej instalacji grzewczej na efektywność jej działania. Nawet w najzimniejszych okresach roku, zapewnienie optymalnego poziomu temperatury w pomieszczeniu wymaga wyjątkowo elastycznej reakcji instalacji grzewczej, w postaci szybko zmieniającej się mocy cieplnej.
Rys. 4.1 pokazuje reakcję instalacji ogrzewania na pojawiające się zyski i straty ciepła dla dwóch rodzajów instalacji grzewczych. W przypadku ogrzewania z grzejnikami konwekcyjnymi, dzięki jej niewielkiej pojemności cieplnej, reakcja na pojawiające się zyski ciepła nastąpiła sprawnie, nie powodując podniesienia temperatury wewnętrznej w pomieszczeniu o więcej niż 0,5°C powyżej zadanej wartości 21°C. Instalacja ogrzewania podłogowego, charakteryzująca się dużą pojemnością cieplną, nie była wstanie utrzymać temperatury wewnętrznej w pomieszczeniu na stabilnym poziomie. Badania wykazały, że dla uzyskania w pomieszczeniu temperatury powyżej dolnej granicy komfortu cieplnego 21°C, konieczne jest u stawienie zadanej temperatury na 21,5°C. Duża pojemność cieplna instalacji powodowała zwolnioną reakcję na chwilowe zapotrzebowanie na ciepło, stąd wahania temperatury wewnętrznej pomieszczenia i straty energii.
Sytuacja pokazana na rys. 4.1 oparta jest na szczegółowej dynamicznej symulacji funkcjonowania nowoczesnego budynku, znajdującego się w Niemczech. Wyniki pokazujące zmiany temperatury wewnętrznej w pierwszym tygodniu stycznia są pokazane na rys. 4.2. Ze względu na nieprzewidywalność występowania wewnętrznych i zewnętrznych zysków ciepła, działanie instalacji ogrzewania podłogowego nie może zostać usprawnione poprzez wprowadzenie określonego schematu regulacji. Pojawienie się zysków ciepła w istocie powoduje wyłączenie ogrzewania, jednak instalacja przez długi czas oddaje jeszcze ciepło na drodze promieniowania chłodniejszym powierzchniom w pomieszczeniu takim, jak okna i ściany zewnętrzne. Powoduje to przegrzanie pomieszczenia.
W nocy, gdy temperatura wewnętrzna spada poniżej zadanej wartości 21,5°C, wzrost temperatury nastąpi po wielu godzinach, pomimo pracującej instalacji ogrzewania podłogowego. W istocie, badania wykazały, że temperatura wewnętrzna pomieszczenia nadal wykazywała wtedy tendencję spadkową, z czego wynikła konieczność korekty wzwyż temperatury zadanej instalacji.
Do przeprowadzenia powyższej symulacji zastosowano zaawansowany komputerowy model IDA-ICE (więcej – Patrz dział Projektowanie –Dynamiczne symulacje) Poprawność działania tego programu została starannie zweryfikowana, a sam program jest znany z wysokiej precyzji uzyskiwanych wyników w obliczeniach porównawczych instalacji.
W środku sezonu grzewczego zyski ciepła zbliżają się do zapotrzebowania na ciepło, co jeszcze bardziej utrudnia regulację temperatury wewnętrznej w pomieszczeniu. Rys 43 pokazuje sytuację na początku marca. Zyski ciepła od słońca stają się znaczące, a temperatura wewnętrzna w pomieszczeniu podlega silnym wahaniom. Ogrzewanie z grzejnikami konwekcyjnymi daje bardziej stabilny poziom temperatury wewnętrznej, co oznacza efektywniejsze wykorzystanie zysków ciepła.
Wnioski
Szybka odpowiedź na pojawiające się zyski ciepła i niskie straty ciepła instalacji są kluczowymi elementami efektywnych energetycznie instalacji grzewczych. Możliwość regulacji indywidualnej jest również czynnikiem znaczącym, ponieważ temperatura poszczególnych pomieszczeń powinna się różnić w zależności od ich funkcji i sposobu użytkowania. Regulacja centralna prowadzi do przegrzewania niektórych pomieszczeń, konsekwentnie związanego ze zwiększonym zużyciem energii. Dlatego wśród wniosków wyciągniętych z przeprowadzonych badań znajduje się zalecenie stosowania instalacji niskotemperaturowych w celu redukowania strat ciepła instalacji, jak również stosowanie elementów ogrzewania o niskiej bezwładności cieplnej, z możliwością regulacji indywidualnej.
Z tej perspektywy można stwierdzić, że badane ogrzewanie podłogowe zachowuje się mniej efektywnie i jest mniej efektywne energetycznie niż porównywana instalacja z grzejnikami konwekcyjnymi. W istocie, wniosek ogólny z badania wskazuje na to, że grzejniki konwekcyjne osiągają efektywność ok. 15% wyższą w przypadku domów parterowych, a do 10% wyższą w budynkach wielopiętrowych.
Prof. Christer Harrysson Construction and Energy Ltd, Falkenberg i Uniwersytet w Örebro, Szwecja
Pierwotnym celem mojego projektu badawczego było podniesienie poziomu wiedzy na temat różnych rozwiązań grzewczych. W szczególności, porównano ogrzewanie podłogowe oraz instalację centralnego ogrzewania z grzejnikami konwekcyjnymi. Projekt został zainicjowany przez przedsiębiorstwo miejskie AB Kristianstadsbyggen i grupę Peab, zasponsorowany przez DESS (Oddział Zaopatrzenia w Energię na Szwecję Południową) oraz SBUF (Fundusz Rozwoju Szwedzkiego Przemysłu Budowlanego).
Różnice w stylu życia pomiędzy mieszkańcami identycznych pod kątem rozwiązań technicznych domów jednorodzinnych mogą powodować różnice w wysokości 10 000 kWh/rok w całkowitym zużyciu energii elektrycznej, energii na cele przygotowania ciepłej wody i ogrzewania. Istnieje wiele różnic w rozwiązaniach technicznych, tj. izolacyjności, instalacji grzewczej i wentylacji. Wybór konkretnych rozwiązań może silnie wpłynąć na zużycie energii oraz jakość klimatu wewnętrznego. W projekcie badawczym Szwedzkiej Krajowej Izby Budownictwa i Projektowania, przeanalizowano 330 jednostek mieszkalnych w dziesięciu obszarach domów szeregowych (wszystkie z ogrzewaniem elektrycznym) pod kątem konkretnych rozwiązań technicznych, jak również indywidualnego naliczania i rozliczania zużycia i kosztów energii elektrycznej i wody. Analiza pokazała różnice w całkowitym zużyciu energii w wysokości ok. 30%, w zależności od zastosowanych rozwiązań technicznych. Szwedzkie dane statystyczne, m.in. (włączając w to wspomniane badanie Szwedzkiej Krajowej Izby Budownictwa i Projektowania) pokazały, że całkowite zużycie energii przez instalacje w domach mieszkalnych, instalacje ciepłej wody i ogrzewania w nowych, seryjnie budowanych domach jednorodzinnych może wynosić do 130 kWh/m2 na rok.
Analiza Szwedzkiej Krajowej Izby Budownictwa i Projektowania również wskazuje, że w seryjnie budowanych domach jednorodzinnych można stosować efektywne energetycznie rozwiązania techniczne, ograniczające zużycie energii do 90-100 kWh/m2 rocznie, nie pogarszając jakości klimatu wewnętrznego. Podane zużycie obecnie jest uważane za minimalne przy optymalizacji kwestii technicznych i ekonomicznych.
Rozplanowanie i usytuowanie sieci przewodów może również mieć duży wpływ na zużycie energii. Wodne ogrzewanie z grzejnikami konwekcyjnymi jest pewnym i sprawdzonym systemem ogrzewania, dopuszczającym również inne źródła ciepła niż energia elektryczna. Przy ogrzewaniu podłogowym, możliwe jest również używanie niskotemperaturowych źródeł ciepła w celu uzyskania zwiększonej efektywności systemów, obniżając temperaturę zasilania i powrotu czynnika grzewczego. Przez ostatnie kilka lat toczy się gorąca dyskusja odnośnie tego, który typ instalacji grzewczej zapewni wyższy komfort cieplny użytkowników, przy jednoczesnej optymalizacji zużycia energii i kosztów-instalacje ogrzewania podłogowego czy też grzejniki konwekcyjne.
Badaniem objęto jednorodzinne budynki mieszkalne zlokalizowane w sześciu obszarach administrowanych przez przedsiębiorstwo miejskie AB Kristianstadsbyggen, mających łącznie 130 mieszkań i charakteryzujących się zróżnicowaniem rozwiązań technicznych. Poszczególne obszary mają od 12 do 62 mieszkań. Są to głównie budynki parterowe. Z sześciu obszarów, cztery mają ogrzewanie podłogowe, a dwa - instalacje grzewcze z grzejnikami konwekcyjnymi. Budynki mają wentylację wywiewną lub nawiewno- wywiewną.
Zgromadzone dane, informacje opisowe oraz wartości obliczone dotyczące poszczególnych obszarów zostały porównane ze sobą. Zmierzone wartości zużycia energii i wody zostały przeliczone z uwzględnieniem takich czynników, jak wartości całoroczne, powierzchnia mieszkalna, stopnień zaizolowania, obecność wentylacji wywiewnej, odzysk ciepła (jeśli był), temperatura wewnętrzna, zużycie wody, straty na przesyle i regulacji, umiejscowienie kotła i regulatora centralnego, indywidualne bądź zbiorcze opomiarowanie zużycia, straty wynikające z odprowadzenia ciepłej wody do kanalizacji, ogrzewanie budynków gospodarczych (jeśli były obecne) i wykorzystanie energii na cele utrzymania nieruchomości.
Podsumowując, w istniejących warunkach, obszary 3-6 z ogrzewaniem podłogowym miały przeciętnie o 15-25% wyższe zużycie energii (z wyłączeniem energii na cele utrzymania nieruchomości), w porównaniu ze średnią wartością dla obszarów 1 i 2, które miały instalacje z grzejnikami konwekcyjnymi.
