Optimizarea sistemelor de căldură în construcțiile unifamiliale, în condițiile crizei energetice

Optimizarea sistemelor de căldură în construcțiile unifamiliale, în condițiile crizei energetice

Așa cum este prezentat în literatura de specialitate, progresul civilizației în a doua jumătate a secolului XX a determinat o creștere rapidă a nevoilor de energie ale lumii

Resursele energetice disponibile pentru exploatarea industrială, care se bazează în principal pe combustibili fosili (cărbune, țiței, gaze naturale), sunt însă limitate.

Creșterea cererii și resursele limitate de energii convenționale, sub aspectul crizei energetice și a creșterii prețurilor, au forțat o schimbare a modului de gândire a utilizării energiei și a politicii energetice.

Iată, așadar, un studiu pe tema eficientizării sistemelor de căldură, cu titlul ”Environmental-economic analysis of the heating system for a single-family building”, semnat de Agnieszka Jachura, de la Czestochowa University of Technology, Faculty of Infrastructure and Environment, Czestochowa, Poland. 

Nocivitatea energiilor convenționale

Ținând cont de dependența lumii moderne de resursele energetice neregenerabile și de importanța strategică a acestora în dezvoltarea economică, eficiența utilizării energiei și căutarea surselor alternative ar trebui să facă obiectul unei atenții deosebite.

Producția de energie bazată pe tehnologii convenționale are ca rezultat emisia de substanțe nocive în mediu și degradarea mediului natural. În fața schimbărilor climatice vizibile, un aspect important este și protecția mediului și reducerea emisiilor în atmosferă.

UE încearcă să facă față sarcinilor rezultate din apropierea deficitului de combustibili fosili și să mențină poziția de lider în domeniul protecției mediului. Tot la scară națională a fiecărui stat membru în UE, asigurarea securității energetice, a calității și fiabilității aprovizionării, îmbunătățirea eficienței consumului de combustibil și energie și protecția mediului sunt aspecte cheie.

În UE, ponderea sectorului construcțiilor în consumul total de energie este de aproximativ 42%. Încălzirea reprezintă 72% din totalul necesar de energie al clădirii. Având în vedere acest lucru, economisirea energiei și raționalizarea acesteia, precum și reducerea emisiilor de poluanți de mediu ar trebui să se manifeste în special în activități legate de îmbunătățirea eficienței energetice a clădirilor.

Implementarea noilor tehnologii în tehnologia construcțiilor și instalațiilor, reducerea consumului de energie, promovarea clădirilor cu consum redus de energie și creșterea achizițiilor de energie din surse regenerabile ar trebui să stea la baza atingerii obiectivelor asumate.

Structura și cererea de căldură în clădirile unifamiliale

Cererea de căldură este unul dintre parametrii de bază care caracterizează calitatea energetică a clădirilor. Consumul de energie pentru încălzire este influențat de o serie de factori, adică:

-parametrii mediului extern,

-arhitectura clădirii,

-soluțiile de construcție

-izolarea pereților despărțitori ai clădirii,

-tipul de ventilație și eficiența sistemelor.

Conform analizei literaturii de specialitate, standardul energetic al unei clădiri depinde în primul rând de vechimea acesteia. Analizând datele, se poate spune că acest lucru se datorează modificării reglementărilor existente privind protecția termică a clădirilor de-a lungul anilor.

În ciuda schimbărilor care au avut loc în ultimii ani, consumul de energie pentru încălzirea clădirilor rezidențiale este semnificativ mai mare în majoritatea țărilor din UE. Altele, consumă mai puțin. Pentru comparație, consumul mediu anual de energie pentru încălzirea clădirilor rezidențiale în Germania este de 50–100 kWh/(m2/an), iar în Suedia 30–60 kWh/(m2/an).

Acest lucru indică posibilitatea și necesitatea unor modificări menite să reducă consumul de energie și costurile de încălzire atât pentru clădirile nou construite, cât și pentru cele existente.

Cerințe la proiectare

Clădirile, împreună cu echipamentele tehnice, ar trebui să fie proiectate și construite într-un mod care să garanteze menținerea consumului de energie termică la un nivel rezonabil de scăzut. Valorile maxime ale indicatorului EP pentru casele unifamiliale, până în 2025, urmează să se ridice la 70 kWh/(m2/an).

Potrivit unui raport de cercetare privind eficiența energetică a caselor unifamiliale din unele țări UE, aproape 70% din clădiri sunt încălzite cu cărbune. Aceasta înseamnă aproximativ 3,5 milioane de sobe, dintre care o parte semnificativă sunt cazane de încărcare depășite din punct de vedere tehnologic, cu eficiență scăzută și emisii mari de poluanți.

Rezultatele cercetării arată că proprietarii de case unifamiliale folosesc cel mai adesea cele mai ieftine și, în același timp, cele mai puțin ecologice metode de încălzire.

Cu toate acestea, în clădirile construite după anul 2000, ponderea încălzirii pe cărbune scade semnificativ în favoarea gazelor naturale și a biomasei. Aproape 3% sunt alte surse de încălzire, la care autorul cercetării include colectoare solare și pompe de căldură. Aceste date permit să afirmăm că în sectorul locuințelor unifamiliale există un potențial semnificativ de îmbunătățire a eficienței energetice și de reducere a emisiilor de poluanți, în special pentru clădirile mai vechi.

Costurile de încălzire în clădirile unifamiliale

Potrivit autorului lucrării, costul încălzirii casei, împreună cu încălzirea apei calde menajere, reprezintă 70–80% din cheltuielile anuale pentru întreținerea casei. Mulți factori contribuie la costul încălzirii clădirii, în primul rând standardul de izolare termică, tipul de purtător de energie și eficiența sistemului de încălzire.

În epoca creșterii prețurilor la combustibil, alegerea corectă a hsursa de mâncare este una dintre deciziile cheie pe care trebuie să le ia un investitor. În funcție de tipul de combustibil sau de purtător de energie selectat, este posibil să se calculeze și să compare costul producerii a 1 kWh de căldură și, astfel, încălzirea clădirii, cu o mare aproximare.

O astfel de analiză a fost făcută la locul de muncă, inclusiv combustibilul și prețurile energiei electrice, valabile pentru iulie 2013. Datele arată că cele mai mici costuri de exploatare se obțin pentru un sistem cu pompă de căldură sol, un cazan pe lemne și un cazan pe cărbune.

La mijloc sunt instalate sisteme de incalzire cu centrala pe gaz natural. Încălzitoarele electrice, cazanele pe gaz lichid și uleiul de încălzire s-au dovedit a fi cele mai scumpe în funcționare.

Utilizarea surselor de energie regenerabilă pentru încălzire

Disponibilitatea limitată a combustibililor fosili, prețurile mai mari și poluarea în creștere a mediului au forțat căutarea surselor alternative de energie. Una dintre modalitățile de a respecta energia și de a proteja mediul înconjurător este înlocuirea combustibililor fosili cu surse de energie regenerabilă.

Conform datelor statistice, ponderea energiei din surse regenerabile în consumul final brut de energie din UE a crescut în 2016 la 11,3% (în 2005 a fost de 7,2%) față de 15% pentru 2020, presupusă în dezvoltarea strategie energie regenerabilă.

Energia obținută din surse regenerabile în Uniunea Europeană provine în principal din biocombustibili solizi 76,62%, biocombustibili lichizi 9,23%, energia eoliană 8,18%, energia apei 2,33% și biogaz 2,57%. Energia termică din surse regenerabile de energie este produsă aproape exclusiv din biocombustibili solizi, care în 2014 reprezentau 97,91%.

În casele unifamiliale, în scopuri de încălzire, se folosesc de regulă energia solară, energia ambientală a clădirii, de exemplu aerul atmosferic, pământul, apa de suprafață și freatică prin utilizarea pompelor de căldură și a energiei din biomasă în instalații cu boilere moderne care arde combustibili lemnos. 

Alegerea sistemului

Alegerea sistemului potrivit care utilizează energie regenerabilă trebuie să țină cont de nevoile clădirilor și de caracteristicile termice ale acesteia, de condițiile climatice și locale, precum și de viabilitatea economică, asigurând un echilibru între cheltuielile de investiții necesare și economiile obținute în timpul funcționării.

În prezent, există soluții conceptuale pentru sisteme de încălzire pe bază de boiler pe gaz și pompă de căldură pentru clădire unifamilială. Imobilul de locuit în cauză, pe care s-a efectuat studiul, este o casă unifamilială, cu un etaj, fără subsol, cu o mansardă inutilă cu o suprafață utilă de 83 m2.

Pereții exteriori au fost realizați din blocuri de beton celular de 24 cm grosime și 15 cm grosime. Pardoseala la sol este izolată cu pardoseală polistiren de 15 cm grosime. S-a folosit tavan din sistem Teriva I, cu o înălțime de construcție de 24 cm. Ca izolație termică s-a folosit vată minerală cu grosimea de 20 cm. Clădirea a fost proiectată pentru ventilație gravitațională.

Impulsionat de dorința de a asigura condiții de confort termic cu cel mai mic consum de energie posibil și reducerea impactului negativ asupra mediului ca sursa de caldura, pentru studiu au fost alese două variante: un cazan pe gaz în condensație și o pompă de caldură.

În scopul analizei s-a presupus că instalația de distribuție a căldurii în fiecare variantă este aceeași.

Sistemul de încălzire pe bază de cazan pe gaz

Sursa de caldura pentru instalatie a fost centrala termică în condensație pe gaz Cerapur Modul de la Junkers cu o capacitate maxima de 14 kW cu rezervor de acumulare integrat de 100 litri apa calda utilitara.

Cazanul este echipat cu reglare lină a puterii în intervalul de la 20% la 100% din puterea maximă. Apa utilizabilă este încălzită de un schimbător de căldură cu plăci și depozitată într-un recipient într-un recipient.

Centrala are încorporată o pompă electronică a circuitului de încălzire controlată de un regulator de vreme și o pompă care încarcă rezervorul de stocare a apei calde. Centrala este dotata cu toate dispozitivele de siguranta si reglare.

Alimentarea cu aer de ardere și evacuarea gazelor arse peste clădire sunt asigurate de un sistem de aer și coș de fum.

Sistemul de încălzire pe bază de pompă de căldură

În varianta alternativă s-a ales ca sursă de căldură pentru încălzirea centrală și prepararea apei calde o pompă de căldură tip compresor Junkers aer-apă: modul extern AE 80–1 plus modul intern ASC 160.

Pompa a funcționat în modul monoenergie. La temperaturi exterioare sub punctul bivalent, diferența de putere dintre cererea de căldură pentru clădire și puterea obținută de pompa de căldură la o anumită temperatură exterioară a fost acoperită de încălzitoare electrice suplimentare încorporate în modulul interior.

În țările cu climă temperată, pentru o temperatură externă de procesare de -20C, se recomandă o valoare a punctului bivalent în intervalul de la -5C la -8C, astfel încât ponderea energiei electrice să fie cât mai limitată.

Modulul interior are încorporat un încălzitor de apă cu jachetă cu o capacitate de 165 litri. La temperaturi exterioare sub -20C, pompa de caldura se oprește automat iar funcția este preluată de un adaos electric.

Analiza tehnico-economică

Criteriul de bază în alegerea sistemului de încălzire pentru o clădire rezidențială este evaluarea tehnico-economică. În acest studiu, analiza economică a fost realizată folosind metoda LCC (Life Cycle Cost).

Calculul economic conform ecuației depinde în mare măsură de rata reală a dobânzii. Potrivit datelor statistice, rata reală a dobânzii s-a schimbat semnificativ de-a lungul anilor și este dificil de prezis cu exactitate. În legătură cu cele de mai sus, contul economic din această lucrare va fi realizat pe baza de prețuri fixe.

În scopul estimării costurilor ciclului de viață al sistemului de încălzire, cheltuielile de capital au fost limitate la costurile de achiziție și punerea în funcțiune a sistemului de încălzire. Costul de achiziție a elementelor sistemelor de încălzire a fost adoptat conform materialelor și cataloagelor firmelor de instalații.

Costurile de asamblare, terasament și punerea în funcțiune a instalației au fost estimate la 10% din cheltuielile de capital. Costurile de utilizare a sistemului au fost luate ca suma costurilor cu gazul consumat de centrala pe gaz si energia electrica consumata de dispozitivele auxiliare in varianta de baza, precum si costul energiei electrice consumate de pompa de caldura si auxiliare in varianta alternativa, ca precum și costurile de servicii în timpul perioadei de funcționare a sistemului.

Prețul combustibilului gazos, tariful fix și variabil, precum și taxa de abonament au fost adoptate pe baza tarifului furnizorului de gaze. Valorile componentelor individuale ale prețului total au fost adoptate pe baza tarifului furnizorului de energie electrică.

Emisia de poluanți introduși în atmosferă

Volumul emisiilor de anumiți poluanți emise din sursa de emisie va fi calculat folosind metoda indicelui conform următoarei ecuații:

Et = C ∙ Wt [kg/an], unde:

Et – emisia efectivă de poluanți cu indice t, kg/an,

C – consumul anual de purtător de energie, kWh/an sau m3/an,

Wt – indice de emisie de poluanți cu indice t, kg/kWh sau kg/m3.

Emisia echivalentă sau înlocuitoare este cantitatea totală de emisii de poluanți dintr-o anumită sursă de emisie, convertită în emisie de dioxid de sulf. Ea permite compararea gradului de neplăcere al surselor de poluare care introduc contaminanți cu un grad diferit de toxicitate în aer.

În acest fel, calculăm emisia echivalentă adunând emisiile reale de poluanți individuali de la sursa evaluată înmulțite cu coeficienții lor de toxicitate. Valorile coeficienților de toxicitate a poluanților sunt determinate pe baza datelor din Regulamentul actual privind valorile de referință pentru anumite substanțe din aer

Rezultatele analizei tehnico-economice și de mediu

Pentru o casă unifamilială, sarcina termică totală proiectată a fost de 5,58 kW, unde pierderea de căldură proiectată prin penetrare a fost de 4,08 kW și pierderea de căldură prin ventilație proiectată a fost de 1,5 kW. Cererea medie orară de apă a fost de 1,17 kW (trei utilizatori).

La utilizarea pompei de căldură, consumul final de energie este de 6020,55 kWh/an și este de aproape trei ori mai mic decât la cazanul pe gaz (17410,82 kWh/an). Consumul de energie în varianta de bază pentru încălzire este de 71% și este comparabil cu consumul variantei alternative (69%).

O situație similară a fost observată și în cazul cererii de tratament termic. Cea mai mare diferență a fost demonstrată în cazul echipamentelor auxiliare, care în varianta de bază absoarbe 2% din energia finală totală, iar în alternativă 6%.

Când se utilizează un cazan cu condensare pe gaz, cheltuielile de capital se ridică la 27280 PLN și sunt mai mici cu aproape jumătate decât pentru un sistem cu pompă de căldură (50490 PLN). Cu toate acestea, cheltuielile de capital mai mari efectuate în sistemul pompei de căldură se caracterizează prin costuri anuale de operare mai mici de 3930 PLN, care pentru cazanul pe gaz sunt la nivelul de 4394 PLN.

Pe parcursul a 20 de ani de utilizare a unui sistem bazat pe un cazan pe gaz în condensare, costurile inițiale reprezintă 24% din costurile totale. În cazul unui sistem cu pompă de căldură, cheltuielile de capital se ridică la 39% din costurile totale.

Costurile operaționale reprezintă 76%, respectiv 61% și depind în mare măsură de prețurile gazelor naturale în prima opțiune și de prețurile energiei electrice în a doua opțiune. Din costurile totale LCC pentru clădirea analizată, reiese că o soluție mai avantajoasă este un sistem de încălzire bazat pe uncazan pe gaz.

Costul total al LCC suportat în perioada de utilizare de 20 de ani este mai mic pentru acesta cu 13941 PLN în raport cu costul LCC al sistemului de pompă de căldură, ceea ce reprezintă o economie de 11% pe întreg ciclul de viață.

Beneficii comparative

Începând din primul an de investiție, pe toată durata de viață a sistemului, costurile suportate pentru un sistem de încălzire cu pompă de căldură sunt mai mari decât costurile pentru un cazan pe gaz.

Datorită costurilor anuale de exploatare mai mici, profiturile din utilizarea cazanului pe gaz în condensare în raport cu pompa de căldură sunt reduse minim de la an la an, cu toate acestea, egalizarea costurilor ciclului de viață pentru ambele sisteme nu este posibilă.

Analizând costurile ciclului de viață LCC, se poate concluziona că o opțiune mai bună este adoptarea unei variante cu un cazan pe gaz în condensare, care în ciclul de viață adoptat de 20 de ani poate aduce economii de aproape 14 mii PLN.

Pentru a evalua impactul producerii de energie termică în clădirea analizată asupra mediului, a fost calculată cantitatea de poluanți principali emiși în aer, adică: SO2, NOX, CO, CO2 și praf. Valorile de emisie ale tuturor poluantilor emisi sunt mai mici in cazul unui sistem de incalzire bazat pe un cazan pe gaz in condensare.

Pe baza volumului anual de emisie s-a calculat reducerea cantității de poluanți emise în unități de greutate și rata de reducere procentuală. Pentru a compara gradul de neplăcere de mediu al surselor de căldură propuse, a fost calculată o emisie echivalentă.

În varianta cu pompă de caldura se înregistrează o creștere semnificativă a emisiilor de poluanți față de centrala pe gaz. În ambele cazuri, mai mult de 99% din emisiile totale sunt dioxid de carbon. De remarcat, însă, că în cazul unui cazan pe gaz în condensație avem de-a face cu o emisie redusă, afectând mediul la nivel local.

În cazul energiei electrice utilizate pentru funcționarea pompelor de căldură, avem de-a face cu emisii mari, unde poluanții sunt emisi în centralele electrice și sunt transferați pe distanțe mai mari. Emisia echivalentă de la pompa de căldură este de 12,82 kg/an și este de aproape 6 ori mai mare decât sistemul bazat pe cazanul pe gaz în condensare, pentru care emisia echivalentă calculată este de 2,20 kg/an.

Comparând rezultatele analizei de mediu, ajungem la concluzia că alegerea unei variante a unui sistem de încălzire bazat pe un cazan pe gaz în condensare este mai benefică deoarece are un impact mai mic asupra mediului la nivel global, ținând cont atât de emisia anuală de poluanţi precum şi emisia echivalentă.

Concluzii

Pe baza analizei comparative a sistemului de încălzire, luând în considerare criterii tehnice, economice și de mediu, reiese că pentru o clădire unifamilială analizată, o soluție mai avantajoasă este utilizarea unui sistem bazat pe condensare cu cazan pe gaz.

Analiza economică a arătat că costul total pentru un sistem de încălzire pe bază de boiler pe gaz este cu 11% mai mic comparativ cu o pompă de căldură cu compresor. Evaluarea de mediu a mai arătat că, atât emisiile anuale de poluanți individuali, cât și emisiile echivalente sunt mai mici pentru un sistem de încălzire bazat pe un cazan pe gaz în condensare.

Totuși, trebuie avut în vedere că în cazul unui cazan, afectăm mediul local, în apropierea unei clădiri încălzite. Încălzirea cu ajutorul unei pompe de căldură nu produce emisii în vecinătatea obiectului încălzit.

Din păcate, generarea de energie electrică utilizată pentru funcționarea pompei de căldură a compresorului este asociată cu emisia de substanțe nocive în centralele electrice și centralele combinate de căldură și energie. În multe țări, electricitatea este produsă în principal în centrale pe cărbune, a căror ardere este asociată cu un impact semnificativ asupra mediului și, de asemenea, caracterizată printr-o eficiență scăzută a generării de energie electrică.

Din motivele de mai sus, emisia de poluanți din sistemul bazat pe pompa de căldură a compresorului s-a dovedit a fi mai mare decât în ​​cazul sistemului bazat pe boilerul pe gaz.

Utilizarea unui cazan pe gaz în condensare ca sursă de căldură permite utilizarea eficientă a energiei chimice conținute în combustibilul gazos și reducerea impactului acesteia asupra mediului natural, și asigură viabilitatea economică, constând într-un echilibru între costurile de investiții necesare și costurile energetice în perioada funcţionarea clădirii.

 

infoconstruct