Spełnienie wymogów budownictwa zeroemisyjnego wymaga wykorzystania różnych form energii, które pochodzą ze źródeł odnawialnych (OZE). W budynkach mieszkalnych są to najczęściej: ogniwa fotowoltaiczne, kolektory słoneczne, turbiny wiatrowe oraz sprężarkowe pompy ciepła.
W okresie ostatnich dziesięciu lat dominującą technologią OZE stały się ogniwa fotowoltaiczne (PV), do których w ciągu kilku ostatnich lat dołączyły pompy ciepła (PC). Wspólna praca PV i PC stała się podstawą budownictwa zeroemisyjnego i dlatego warto przeprowadzać bilanse energetyczne dla takich układów. Wybrane fragmenty takiego bilansu przedstawiono w dalszej części artykułu.
Powierzchnia zabudowy analizowanego budynku wynosi 124,5 m2, jego powierzchnia użytkowa 100,2 m2, a kubatura 436,00 m3. Budynek jest jednokondygnacyjny i ma typowy wewnętrzny układ przestrzenny. W wykonanej symulacji (przed 2018r.) przyjęto wartość rocznego zużycia energii elektrycznej równą 3500 kWh oraz roczne nasłonecznienie 1,034 kWh/m2. Przy nasłonecznieniu rocznym budynku wynoszącym 82%, roczny uzysk energii obliczono na 8,754 kWh, przy zainstalowanych 20 modułach fotowoltaicznych. Wyniki symulacji prowadziły do następujących wniosków: zainstalowana moc DC – 6,1 kWp, maksymalna osiągana moc AC – 5,00 kW, roczna produkcja energii – 6,07 MWh, redukcja emisji CO2 – 4,69 t. Zużycie energii rozkładałoby się na pobór własny na poziomie 17% oraz eksport 83%.
Po upływie czterech lat (2018-2022) funkcjonowania systemu przeprowadzono bilans energetyczny dla analizowanego budynku. Z uzyskanych danych wynika, że roczna wartość produkowanej energii elektrycznej (PV) przewyższa zapotrzebowanie na nią (PC). Największa produkcja przypadała na okres kwiecień-sierpień każdego roku, co wiązało się z oczywistym faktem poziomu nasłonecznienia w tym okresie. Zestawienie energii wyprodukowanej, zużytej oraz pobranej z sieci zasilającej, dla okresów miesięcznych w roku 2022, przedstawiono na rysunku 1 (miesiąc listopad został uwzględniony w niepełnym wymiarze czasu).
Z kolei wartość energii pobranej w budynku stale wzrasta. W układzie miesięcznym jest ona większa w miesiącach jesienno-zimowych niż wiosennych i letnich, co wiąże się z koniecznością ogrzania budynku oraz jego oświetlenia. Zestawienie takie, za okres roku 2021, przedstawiono na rysunku 2.
Zestawienie wartości energii elektrycznej zużytej w analizowanych czterech latach, przedstawiono na rysunku 3. Wartość energii zużytej corocznie wzrastała (w roku 2022 przeprowadzono modernizację energetyczną oraz bilans za rok 2022 nie został zamknięty).
Dokładne informacje w zakresie bilansu energii daje charakterystyka dobowa dla danego miesiąca. Dla analizowanego obiektu charakterystykę taką przedstawiono na rysunku 4. W miesiącu styczniu nastąpiło znaczące niezbilansowanie układu, czego konsekwencją był pobór energii z systemu elektroenergetycznego.
Domy niskoemisyjne wykorzystują wyprodukowaną energię elektryczną na potrzeby własne, tj.: ogrzewanie, chłodzenie, oświetlenie, pozyskiwanie ciepłej wody do celów użytkowych. Jej nadmiar mogą gromadzić lub przekazywać do sieci elektroenergetycznej. Zaspokajają one własne potrzeby energetyczne. Poprawna gospodarka energią przynosi efekty w postaci jej oszczędzania, redukcji emisji gazów cieplarnianych oraz redukcji kosztów utrzymania domu.
Wyniki przeprowadzonego bilansu energii elektrycznej w budynku wskazują, iż założone roczne zużycie energii elektrycznej na poziomie 3500 kWh zostało w kolejnych latach przekroczone. Jednak zainstalowane ogniwa fotowoltaiczne pozwalają na zaspokojenie potrzeb budynku oraz na przesył energii do systemu elektroenergetycznego. Rentowność zainstalowanej instalacji wynosi 6 lat. Uzyskano roczne oszczędności zużycia energii na potrzeby własne, zyski z oszczędzania oraz ograniczenie emisji CO2. Produkowana energia dzielona jest w następujący sposób: energia wyprodukowana w pierwszej kolejności zasila obwody budynku, a jeśli nie zostanie skonsumowana trafia do sieci elektroenergetycznej. Prosument korzysta z rozliczenia rocznego instalacji, a więc energię oddaną do sieci może spożytkować w danym roku rozliczeniowym w chwili, gdy jego produkcja PV jest niestarczająca, aby zaspokoić zapotrzebowanie na energię elektryczną. Może wtedy odebrać nadprodukcję, ale do wartości 80% swojej nagromadzonej energii, ponieważ oplata za gromadzenie energii wynosi 20% dla instalacji do 10kW i 30% dla instalacji powyżej tej wartości mocy zainstalowanej. Z analizy wynika, że instalacja fotowoltaiczna może jednak okazać się zbyt mała przy rosnącym zużyciu energii. W okresach jesienno-zimowych prosument w dalszym ciągu pobiera energię elektryczną z sieci, ponieważ system fotowoltaiczny jest niewydolny przy pracy stosunkowo dużej pompy ciepła. Powyższą sytuację można zmienić instalując drugi, mniejszy inwerter i rozbudowując instalację PV do mocy około 9,9kWp.
mgr inż. Jakub Zając1,
dr hab. inż. Jerzy Wojciechowski,
prof. UTH Rad.2
mgr inż. Łukasz Pietras2
Bibliografia
[1]. Dyrektywa 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.
[2]. Norma PN-EN 15316-1:2009 – Systemy ogrzewcze w budynkach – Metoda obliczania zapotrzebowania na energię i sprawności systemów – Część 1.
[3]. Norma PN-EN ISO 15603:2008 – Energetyczne właściwości użytkowe budynków – Całkowite zużycie energii i definicja energii znamionowej.
[4]. Ramczyk M., Podstawy prawne wykorzystania odnawialnych źródeł energii
w budownictwie. Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym”, Vol. 8, No 1/2019, s. 115-121.
[5]. Sowa J., Budynki o niemal zerowym zużyciu energii. Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2017.
[6]. Sowa S., Odnawialne źródła energii jako czynnik wpływający na poprawę efektywności energetycznej. Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk, Politechnika Poznańska, Instytut Elektroenergetyki, nr 105/2018, s. 187-196.
[7]. Ustawa o OZE z dnia 22 czerwca 2016 roku (Dz.U. 2015 poz. 478 z późn. zm.).
