Kako do “skoraj nič energijskih stavb”

Transcription

Kako do “skoraj nič energijskih stavb”
Slovenija znižuje CO2: dobre prakse Kako do “ skoraj nič energijskih stavb” Prof.dr. Sašo Medved Laboratorij za okoljske tehnologije v zgradbah Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 20.3.2012 Projekt »Slovenija znižuje CO 2 : dobre prakse« izvaja Umanotera, Slovenska fundacija za trajnostni razvoj. Projekt je ena izmed akcij partnerstva na področju komuniciranja evropskih vsebin med Evropsko komisijo, Vlado Republike Slovenije in Evropskim parlamentom. Vsebine, objavljene v zvezi s projektom, ne predstavljajo uradnega stališča Evropske komisije,Vlade Republike Slovenije ali Evropskega parlamenta.
1 Direktiva EPBD (Energy performance of building directive) 2010
Oskrba energijsko varčnih stavb z energijo za ogrevanje, hlajenje, prezračevanje, TSV in osvetlitev pretežno s pretvarjanjem obnovljivih virov energije na stavbi sami ali v bližini stavbe (daljinski sistemi). Sončna energija Ogrevanje Hlajenje TSV PV Biomasa Ogrevanje Hlajenje TSV CHP/ soproizvodnja Geotermalna energija Ogrevanje Toplota okolja Ogrevanje Toplota okolja/TČ Ogrevanje Vetrna energija TSV Hlajenje TSV mvetrnice Vsebina
Tehnologije URE Tehnologije OVE Kako do skoraj nič energijskih stavb – izobraževalni projekti Ozadje
kWh/m kWh /m 2 a 180 + v v 120 Kvalitetno toplotno izolirane stavbe Toplotna Zaščita stavbe 60 Stavbe z nizko rabo toplote 30 + Mehansko prezračevanje 15 0 “Pasivne stavbe ” “ Pasivne stavbe” “Zero energy” ” “ Zero energy “Energie +” ” ‐ ‐ stavbe s prese stavbe s presež žkom energije kom energije “ Energie + Sončna energija, OVE Pričakovane podnebne spremembe Staranje prebivalstva v EU Več električnih naprav, večji notranji toplotni viri Število ur v NE stavbi and 25°C (h/a) Ozadje 2100 1800 1500 1200 900 600 300 0 Danes Sc.A TRL Sc.B Sc.C Sc.D Raba električne energije narašča bolj kot raba drugih energentov Vršna električna moč, premaknitev vrha iz zimskega dneva ob 19 uri na poletni dan ob 15 uri. Ogrevanje Raba električne energije za hlajenje sovpada s sončnim sevanjem ‐> glajenje vrha rabe električne energije s PV sistemi. Sončno obsevanje TSV
Leto 2003 URE v stavbah
Toplotne prehodnosti U gradbenih konstrukcij nižje za 4 do 5 x! 2002 2009 < 0,15 W/m2K K
pasivne stavbe URE v stavbah
Konvektivni in sevalni prestop
toplote med stekli
Konvektivni in
sevalni
prestop
toplote na
notranji strani
zasteklitve
Prevod toplote v steklu
Toplotne prehodnosti zasteklitve so večje
kot toplotna prehodnost kvalitetno
toplotno izoliranega zidu !
Toplotna prehodnost zasteklitve zmanjšamo s povečanjem uporov
konvektivnemu in sevalnemu prestopu med stekli !
večjim številom stekel (2 -> 3 -> 4)
zamenjavo zraka med stekli z žlahtnimi plini (Ar, Kr, Xe)
z nizko-emisijskimi nanosom na steklu URE v stavbah
Prehod toplote na mestu
distančnika stekel merimo s
toplotnim mostom.
Distančnik Ψ (W/mK) Toplotna prehodnost okvirja Uokv
je odvisna od snovi (les, PVC, Al)
0,8 – 1,3 W/m2K
Pri PVC in AL okvirjih navajamo
število “izolacijskih komor”
V tem
preseku je
5 “komor”
V najboljših primerih je Us enako Uokv ! Al 0,06 0,115 PVC 0,024 0,047 URE v stavbah
Razred zrakotesnosti opredeljuje količino zunanjega zraka, ki v stavbo prehaja preko pripire dolžine 1 m ali površine okna 1 m 2 . Se izmeri in navaja pri Dp 100 Pa. 10
Razred 1
5,0
2,5
2,2
2,0
Razred 3
6
3
m /h na m dolžne stika
10
6,75
Razred 2
3
2
m /h na m celotne površine
10
30
27
Razred 4 0,75
0,5
2
1
10
50
100 150
Tlak (Pa)
300
600
URE v stavbah
Tesnost stavbe z metodo nadtlaka, ki ga ustvarimo z ventilatorjem Običajno namestimo na vrata stavbe ali prostora tesno oblogo z ventilatorjem (od tod ime Bloower door metoda). Dp = 50 Pa . V Pri tlačni razliki 50 Pa pretok zraka skozi prostor/stavbo ne sme biti večji kot dve izmenjavi na uro (n=2h ‐1 ) (stavbe z mehanskim prezračevanjem) (3,5; pri stavbah z naravnim prezračevanjem) POZOR ! Netesnost stavbe mora pri naravno (toplotni vzgon) prezračevanih stavbah biti taka, da je število izmenjav zraka 0,2 (0,3 h ‐1 ) in ne več kot 0,5‐0,7 h ‐1 (Vstavbe) V nasprotnem je potrebno vgraditi sistem za mehansko prezračevanje. URE v stavbah
V modernih družbah ljudje preživimo več kot 90% časa v stavbah. Zato je pomembno, da poleg ostalih zahtev bivalnega in delovnega ugodja zagotovimo tudi primerno kakovost zraka. Kakovost zraka v stavbah vzdržujemo s prezračevanjem stavb. Tako imenujemo proces redčenja onesnažil, ki nastajajo v stavbi z zrakom iz okolice. Toda leta 1984 Svetovna zdravstvena organizacija (WHO) opozorila, da je kakovost zraka v vsaj tretjini novih in obnovljenih stavb preslaba in vzrok številnih obolenj. Razlog je v predpisih in zahtevah po večji energijski varčnosti pri ogrevanju stavb. Zato gradimo sodobne stavbe (pre)tesne. Večina stanovalcev v tej starejši stavbi z novimi
okni ima okna odprta vso noč (IR slika pri tem. 0°C) URE v stavbah
Mehansko prezračevanje z rekuperacijo ‐ s prenosniki toplote prenašamo toploto iz toplega odpadnega zraka na sveži zrak, ki vstopa v prostore. dovod svežega zraka iz okolice dovod odpadnega zraka iz prostorov odvod svežega zraka v prostore filter odvod odpadnega zraka lamelni prenosnik toplote ohišje ventilator za sveži zrak z zaščito proti zmrzovanju posoda za kondenzat do 350 m³/h 800 m³/h do 6000 m³/h ventilator za odpadni zrak gumijasti podstavek preprečuje širjenje tresljajev 2.000 do 20.000 m³/h Kakovost zraka v stavbah (IAQ) URE v stavbah
V NE in PS se poleg bistvenega zmanjša rabe energije in izboljšanega bivalnega ugodja, bistveno zmanjša tudi potrebna moč ogrevalnih in hladilnih sistemov. To pomeni, da lahko uporabimo za ogrevanje nižje (namesto 60+°C ‐>25°C), za hlajenje pa višje temperature (namesto 7°C ‐>18°C) nosilcev toplote in/ali hladu (najpogosteje voda ali zrak) t.i. nizko‐eksergijske sisteme. ovoj stavbe prezrač evanje prezra čevanje topla sanitarna voda raba energije za ogrevanje raba energije za ogrevanje Izkoriščanje OVE in toplote/hladu okolja postane veliko bolj učinkovito! ovoj stavbe prezrač evanje prezra čevanje topla sanitarna voda Kakovost zraka v stavbah (IAQ) URE v stavbah
Pri gorenju (oksidaciji) vodika iz goriva nastane vodna para; če jo utekočinimo pridobimo še nekaj toplote. Utekočinjenje je mogoče, če ima grelni medij zadosti nizko temperaturo ‐> nizko‐energijske in pasivne stavbe. zgor evalna toplota kur ilnost OVE v stavbah ‐ >Solarni ogrevalni sistemi
Solarne ogrevalne sisteme delimo glede na temperaturo nosilca toplote nizkotemperaturni ali pasivni solarni sistemi 25 °C Naravno ogrevanje stavb; integrirani v ovoj stavbe ‐okna, stekleniki, prezračevane konstrukcije srednjetemperaturni ali aktivni solarni sistemi 90 °C Pretvarjajo sončno obsevanje v toploto s pomočjo sprejemnikov sončne energije (SSE); s prenosno tekočino prenašajo toploto v hranilnike toplote; ti so povezani s sistemom za ogrevanje sanitarne vode, ogrevalnim sistemom ali toplotno gnanim hladilnim sistemom visokotemperaturni solarni sistemi 250 °C Visoke temperature prenosne tekočine dosežemo z zgoščevanjem sončnega sevanja in sledenjem soncu; sončne elektrarne, sončni kuhalniki, procesna toplota Sončna energija
Ravni Vakuumski Sončna energija
delež ogrevanja s solarnim sistemom (1) Ogrevanje stavb . NE stavba, 200 m 2 Ap 1 40 m 3 0,9 20 m 3 0,8 10 m 3 0,7 7 m 3 0,6 0,5 4 m 3 2 m 3 0,4 0,3 15 30 45 60 površina SSE (m2 ) 75 90 Sončna energija
Solarni sistemi za ogrevanje stavb Sončna energija
Pri sodobni solarnih sistemih, ki so namenjeni ogrevanju in pripravi TSV v večstanovanjskih stavbah uporabljajo dvocevni razvod toplote ter stanovanjske toplotne postaje. Prednosti: manjše toplotne izgube razvodnega omrežja pretočna priprava sanitarne tople vode lažji obračun rabe energije po porabnikih Sončna energija
V praksi so preizkušene 4 vrste sezonskih hranilnikov toplote v solarnih sistemih: vodni; zemlja/navpični prenosniki toplote; gramoz z vodo (umetni vodonosnik); naravni vodonosniki. Sistem Marstal Kungälv Brændstup Strandby Nykvärn Falkenberg Neckarsulm Ulsted Ærøskøping Friederichshafen SSE m² 18,048 10,048 8,000 8,000 7,500 5,500 5,044 5,000 4,900 4,250 Toplotna moč MW 12.9 7 5.6 5.6 5.3 3.9 3.5 3.5 3.4 3 Letno proizvedena toplota GWh 8.2 4.5 3.6 3.6 3.4 2.5 2.3 2.2 2.2 1.9 HT m³ 2,100 Vrsta HT 3,500 10,000 1,000 Gramoz/voda 1,500 1,100 25,000 1,000 1,200 12,000 Vodni Vodni Zemeljski Vodni Vodni Vodni Vodni Vodni Sončna energija
Šolski center v Karlsruhe (A p 4150 m 2 ), 1600 m 2 SSE, HT 4500 m 3 , 40% delež ogrevanja s soncem, manjše emisije CO 2 590 t/a ‐> 200 t/a Sončna energija – hlajenje stavb
“Odprt proces” ‐ zrak s katerim prezračujemo stavbo hladimo v klimatu pred vstopom v stavbo “Zaprt proces” – produkt je hlajena voda (5°‐10°C), ki se pretaka do decentralnih enot (ventilatorskih konvektorjev, hladilnih gred, toplotno vzbujenih gradbenih konstrukcij V obe vrsti sistemov moramo za delovanje dovajati toploto. To je naloga sprejemnikov sončne energije. Temperaturni nivo dovedene toplote je med 50°in 60°C pri odprtem procesu in 80°do 95°C+ pri zaprtem procesu. Sušilno/hlapilno solarno podprto hlajenje
Pri navlaževanju zraka kapljice vode izhlapijo v zrak. Energijo za ta naravni proces črpajo iz zraka, zato se zrak ohladi, ob tem pa se poveča vlažnost zraka. Ta način hlajenja je učinkovit v vročih in suhih okoljih. Sušilno/hlapilno solarno podprto hlajenje
Pri navlaževanju zraka kapljice vode izhlapijo v zrak. Energijo za ta naravni proces črpajo iz zraka, zato se zrak ohladi, ob tem pa se poveča vlažnost zraka. Ta način hlajenja je učinkovit v vročih in suhih okoljih. Pri obratnem procesu, ki ga imenujemo sorpcija, molekule vodne pare iz zraka prehajajo v trdno snov (silikagel) ali tekočino (LiBr). Zato se zrak osuši, a tudi segreje. S segrevanjem snovi v katero so prešle molekule vodne pare dosežemo, da se ta osuši. To je naloga SSE ! Sušilno/hlapilno solarno podprto hlajenje
Celotni proces sušilno/hlapilnega hlajenja (ena od izvedb) 5‐6: hlajenje odsesovanega zraka z navlaževanjem 6‐7: hlajenje svežega zraka s prenosnikom toplote 8‐9: segrevanje zraka iz okolice v SSE na temperaturo 50°C do 70°C 9‐10: razvlaževanje sorpcijskega prenosnika s toplim zrakom iz SSE 4: stanje vpihovanega zraka v stavbo 5: stanje zraka v stavbi 1‐2: razvlaževanje svežega zraka v sorpcijskem prenosniku 2‐3: hlajenje svežega zraka z odsesovanim zrakom iz stavbe, ki ga ohladimo z navlaževanjem 3‐4: hlajenje svežega zraka z navlaževanjem Absorpcijsko hlajenje
Zaprti sistemi solarnega hlajenja so že dolgo uporabljani sistemi t.i. sorpcijskega hlajenja. TOPLOTNI
Dobimo iz SSE (85°C+) KOMPRESOR
V sorpcijskem procesu sodelujeta dve snovi – hladivo in absorbent. Generator
V sistemih za hlajenje stavb se najpogosteje uporabljata voda Potrebujemo električno (hladivo) in litijev bromid energijo (absorbent). hladilna voda
4
Kondenzator
3
2
Absorber
Prednost: Poraba električne energije za pogon črpalke je mnogo manjša kot poraba električne energije za pogon kompresorja pri klasičnih hladilnih sistemih. Toda potrebujemo toploto na visokem temperaturnem nivoju Odvajamo v okolico topla voda
(pogonska toplota)
6
5
1
hladilna voda
7
Uparjalnik
hlajena voda Odvajamo v okolico Voda s temperaturo 5°do 10°C za hlajenje stavbe Absorpcijsko hlajenje
Absorpcijski solarni sistemi za hlajenje s hladilno močjo 5 in 15 kW Pomembno: pri načrtovanju so pomembne vse tri temperature – temperatura grelne vode, temperatura okolice v katero prenašamo odpadno toploto in temperatura hlajene vode (Rotartica) 2 2 3 1 Adsorpcijsko hlajenje Če namesto absorbenta (npr. LiBr) uporabimo trdno snov (npr. silikagel) z enakim delovanjem, govorimo o adsorpcijskem hlajenju. Dva mala adsorpcijska hladilna sistema 7,5 and 70 kW delež hlajenja s soncem (1) V primerjavi z absorpcijskimi napravami, potrebujemo vir toplote z nižjo temperaturo (65°C to 75°C), toda hlajena voda ima višje temperature. 1 8 m 3 0,9 4 m 3 0,8 2 m 3 0,7 0,6 0,5 Yazaki 35kW
0,4 0,3 15 30 45 60 75 površina SSE (m2 ), 15 kW, 20 MWh/a 90 Tržni izdelki
Proizvajalci in moči naprav za solarno podprto hlajenje Cilj je “down sizing” Sončna energija
S sončnimi celicami pretvarjamo energijo sonca neposredno v električno energijo. Večina sončnih celic je izdelana iz silicija. V sončni celici fotoni z zadostno energijo povzročijo nastanek prostih elektronov, ki jih napetostna ovira, ki nastane na spoju dveh tankih plasti Si z dodatkom P ali B (n‐tip/p‐ tip Si), usmeri na nitkasto elektrodo na površini sončne celice. Sončna energija
Tržni deleži različnih vrst sončnih celic Sončna energija Integriranje v ovoj stavb/transparentni moduli PV moduli so lahko izdelani v obliki že uveljavljenih standardnih gradbenih elementov
Sončna energija
Integriranje SSE in PV (PV‐T) Biomasa Sodobne kurilne naprave / zagotovljena kakovost kuriv Emisije PM zmanjšane na 5 mg/Nm3, 95% manj kot pri klasičnih kotlih na polena.
Soproizvodnja Ločena proizvodnja toplote in električne energije Biomasa
100 kWh gorivo Elektrarna h = 30% Toplotne izgube Toplotne izgube 70,5 kWh 100 kWh 30 kWh 70 kWh 10,5 kWh gorivo Kurilna naprava h = 85% gorivo Soproizvodnja hskupno = 90% Toplotne izgube Elek. energija 10 kWh Toplota 60 kWh Elek. energija 30 kWh Toplota 60 kWh Biomasa Soproizvodnja Pilotni sistem za soproizvodnja s Stirlingovim motorjem 3 kW P e , 10,5 kW P t ; uplinjanje pelet
Toplota okolja / TČ 30°C
5°C
40°C
50°C
10°C
kompresor 5°C 0°C
45°C
kondenzator COP = Q in /W el Primarna energija/ emisije CO 2 : zemeljski plin:električni energije 0,2 : 0,53 kg/kWh (2,65)
Toplota okolja / TČ Pretok zraka 0,15 m 3 /h na 1 kW; COP: 2,8 to 4,3 Pretok podtalnice 200‐300 l/h na 1 kW; COP: 5 to 6 20 to 35 W na m dolžine, 10 ‐30 W/m 2 ; COP: 4 to 4,5
Toplota okolja / TČ
Poletni teden Tok Ti Temperature (°C) Temperatura (°C) Toplota/hlad okolja
Zimski teden temperatura zraka (°C) Toplota/hlad okolja/toplotno aktivirane gradbene konstrukcije 31 Tok 29 Ti
27 25 23 21 19 17 15 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 čas (h) Energija vetra Tipični faktor moči med 20 to 40%.
Izobraževalni projekti Intense IDES‐EDU BUILD UP Intense energy efficiency – Holistic approach to energy efficient planning and construction Inteligentni ukrepi za učinkovito rabo energije v stavbnem sektorju v občinah vzhodne in srednje Evrope. 13 projektov obnov javnih stavb v občinah
Izobraževalni projekti Priročnik, iteraktivno gradivo s poglavji: zakonodaja, preverjanje kakovosti, načrtovanje naselij, nosilci energije in OVE, eco materiali, cost‐benefit presoje, gradbena fizika, konstrukcijski elementi, inženiring sistemov. Komu ? Javne službe, gradbenim strokovnjakom, splošni javnosti
Izobraževalni projekti IDES EDU : Učni načrt in študijska gradiva za master interdisciplinarni študijski program program (2 leti + master delo) Osnovni predmeti Celovito načrtovanje stavb Kakovost v arhitekturi Sonaravne stavbe Koncepti URE IN OVE v stavbah Kakovost bivanja v notranjem okolju Ekonomske presoje EPBD Teoretični predmeti Ogrevanje in hlajenje stavb Razsvetljava stavb Prezračevanje Proizvodnja energije (toplota, hlad, električna energija http://www. annex49.com/download/summary_rep ort.pdf (page 56) District hea ting systems – modes and com ponents building heat substations with heat exchanger Heat gen erator (coal, gas, biomass) nowadays steel or PVC (for lower temperature) pre‐insulated pipes are used for distribution; the size is calculated regarding ot pressure drop not to be more 50 to 100 Pa/m. Despite the case on the photo, in most cases pipes are pu t into the ground and buried with the soil. Ga s boiler with integrated flow‐through heat exchanger for DHW Source: www.viessmann.de
direct connection to building heating system; no additional pump in heating system is needed Gas condens ation boiler with in tegrated heat storag e (86 lit). Tap water is heated in p late heat exchanger with water from heat storage. Gas condensatio n b oiler with integrated heat stora ge (130 lit) and tube h eat exchang er. Izobraževalni projekti BUILD UP

Similar documents