Odnawialne źródła energii do ogrzewania domu i wody użytkowej

Zainteresowanie wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii w Polsce wciąż rośnie. Świadczy o tym m.in. ilość firm zajmujących się dystrybucją i montażem odpowiednich urządzeń oraz biur architektonicznych, które oferują gotowe projekty energooszczędnych domów jednorodzinnych. W związku z narzuconymi przez Unię Europejską ograniczeniami emisji dwutlenku węgla, wprowadzone zostały liczne programy, dotacje oraz zwolnienia podatkowe na inwestycje oparte na odnawialnych źródłach energii. Celem tych działań jest zachęcenie do korzystania z alternatywnych źródeł energii i realizacja unijnych wymagań.

Na chwilę obecną w polskich warunkach możemy wykorzystywać:

• energię promieniowania słonecznego (kolektory i panele słoneczne),
• energię z ziemi i z powietrza (pompy ciepła gruntowe i powietrzne),
• energię biomasy (spalanie, zgazowanie, estryfikacja i fermentacja biomasy),
• energię odpadową (w tym poprzez rekuperację ciepła z układów wentylacyjnych, ścieków
  i innych)
• energię wiatru (pojedyncze turbiny i farmy wiatrowe).

Kolektory służą do ogrzewania wody za pomocą nagromadzonego w panelach ciepła pochodzącego od promieniowania słonecznego. Ich zadaniem jest podgrzanie czynnika roboczego jakim może być woda, mieszanina wody i czynników zabezpieczających przed zamarznięciem lub powietrze. Montuje je się zwykle na dachach budynków. Decydując się na tego typu wymiennik ciepła, należy określić niezbędną liczbę i powierzchnię kolektorów przy założeniu, że w rezultacie energia słoneczna powinna pokryć 60-70% rocznego zapotrzebowania na ciepłą wodę i nawet 90-100% w okresie letnim. Opłacalna jest już sytuacja kiedy kolektor pokrywa 30-35% zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową. Będzie na to wpływać zarówno liczba domowników i przypadające zużycie ciepłej wody na każdego z nich, ilość energii słonecznej związana z warunkami klimatycznymi dla danego rejonu, którą pochłonie kolektor i usytuowanie obiektu mieszkalnego.

Zobacz: Fotowoltaika - cena instalacji i dotacje. Czy fotowoltaika się opłaca?

Z uwagi na to, że słońce ogrzewa wodę jedynie w dzień, niezbędny jest zbiornik o pojemności kilkuset litrów (minimum 300 litrów), który kumuluje ciepło i pozwala na korzystanie z ciepłej wody nawet rankiem następnego dnia. Instalacja słoneczna musi również współgrać z konwencjonalnym systemem grzewczym. Prąd w niewielkich ilościach jest potrzebny tylko do podtrzymywania pracy napędu pompy obiegowej. Przy spełnieniu warunków prawidłowego funkcjonowania instalacji słonecznej, jej koszt zwróci się po około sześciu latach. Wykorzystanie instalacji słonecznej do ogrzewania pomieszczeń wymaga znacznie większych powierzchni kolektorów, bardziej skomplikowanego systemu i większych nakładów finansowych. Ponadto zimą straty ciepła przez obudowy kolektorów są zbyt duże, a przy dużym zachmurzeniu i w nocy kolektory nie wspomogą instalacji centralnego ogrzewania. Z tego powodu nie jest praktykowane. Wytwarzanie energii elektrycznej (zastosowanie ogniw fotowoltaicznych) jest zbyt kosztowne, by móc powszechnie używać do tego celu kolektorów.

Pompa ciepła różni się od tradycyjnych instalacji grzewczych tym, że sama nie wytwarza energii, ale pobiera ją z otoczenia i transportuje do instalacji grzewczej w domu. Nie jest uzależniona od przemysłu wydobywczego a więc od pozyskiwanych surowców. Zasada działania pompy ciepła jest bardzo prosta, mianowicie pobiera ona energię z ośrodka o niższej temperaturze i oddaje ją do ośrodka o wyższej temperaturze, tzw. odbiornika. Pompa umożliwia zatem pobranie ciepła np. z otoczenia, by następnie wykorzystać je na wyższym poziomie temperatury w celu grzewczym. Transport ciepła z dolnego źródła ciepła do górnego może odbywać się za pomocą różnych procesów. Pompy ciepła sprawdzają się tak w powietrznych jak i wodnych systemach ogrzewania. W domu jednorodzinnym używa się głównie pomp sprężarkowych z tłokowymi sprężarkami, które napędzane są silnikiem elektrycznym. Ponadto w tego typu budynkach moc pomp waha się od kilku do kilkunastu kilowatów na poziomie źródła górnego. Pompy ciepła mogą współpracować np. z elektrycznym lub centralnym systemem ogrzewania.

Duża część pomp ciepła pełni funkcję ogrzewania w miesiącach zimowych, a klimatyzacji w miesiącach letnich. Z tego powodu właśnie te pompy uważane są za najbardziej efektywne. Dodatkowo moc pompy nie powinna przekraczać 50-80 proc. maksymalnego zapotrzebowania na ciepło.

Polecany artykuł: Dofinansowanie do pomp ciepła w ramach programu “Czyste Powietrze”

Dolne źródło ciepła może pobierać ciepło z powietrza atmosferycznego, gruntu lub z wody gruntowej nagrzanej promieniowaniem słonecznym. W zależności od źródła ciepła wyróżniamy różne systemy pomp i ich konstrukcje, ale zasada działania się nie zmienia. Większość z pomp pobiera ciepło z powietrza atmosferycznego. Jest to najprostszy i najtańszy sposób. Jego wadą jest jednak zmniejszona efektywność w miesiącach zimowych. Również w pozostałym okresie efektywność uzależniona jest od warunków atmosferycznych. Praca pompy nie jest wtedy ekonomiczna i musi być wspomagana przez inne urządzenie. Najwięcej ciepła pompa może przetransportować z wody gruntowej lub powierzchniowej. Ma to związek ze stosunkowo wysoką i stabilną temperaturą w ciągu zimy. Instalacje wykorzystujące wodę są jednak bardziej kosztowne i dość kłopotliwe w konserwacji. Z tego powodu nie są polecane do obiektów o niewielkim zapotrzebowaniu na ciepło, jakim jest np. energooszczędny dom jednorodzinny. W polskich warunkach najbardziej efektywne są pompy, które czerpią ciepło z gruntu.

Warto wspomnieć, że przy instalowaniu pompy ciepła, która ma ogrzać cały budynek, niezbyt opłacalna jest inwestycja w kolektory, uwzględniając między innymi koszt ich montażu i dostosowanie całej instalacji. Inaczej ma się sprawa jeśli chcemy zainstalować pompę ciepła i instalacja słoneczna już istnieje. Dzięki powstałemu zintegrowanemu systemowi pompa ciepła, która transportuje pobrane ciepło (z powietrza, ziemi lub wód gruntowych) do zbiornika tzw. bufora z wodą ogrzewaną przez kolektory słoneczne, dodatkowo ją dogrzewa zwiększając ilość ciepła otrzymanego z kolektorów. 

Biomasa i ekologiczne ogrzewanie domu

Biomasę stanowią odpadki z gospodarstwa domowego, pozostałości po przycinaniu zieleni miejskiej, wszelka materia organiczna, substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego ulegające biodegradacji, resztki z produkcji rolnej, pozostałości z leśnictwa, odpady przemysłowe i komunalne. Charakteryzuje ją mała zawartość części niepalnych oraz azotu i siarki, co ogranicza emisję tlenków tych pierwiastków, w porównaniu ze spalaniem paliw kopalnych. Wykorzystanie biomasy w celach energetycznych polega na jej bezpośrednim spaleniu dla uzyskania np. ciepła użytkowego. Możliwa jest również wstępna obróbka biomasy (brykietowanie lub granulowanie). Biomasa jest nieszkodliwa dla środowiska. Ilość dwutlenku węgla emitowana do atmosfery podczas jego spalania równoważona jest ilością dwutlenku węgla pochłanianego przez rośliny, które odtwarzają biomasę w procesie fotosyntezy. Jej cena jest konkurencyjna na rynku paliw. Wykorzystanie biomasy pozwala ponadto zagospodarować nieużytki i spożytkować odpady.

Biomasę spala się w specjalnie skonstruowanych kotłach o zwiększonej powierzchni wymiany ciepła i lepszym mieszaniu spalin przy dużych współczynnikach nadmiaru powietrza. Takie spalanie w celach energetycznych jest ekologiczne i charakteryzuje się wysoką sprawnością. Tego typu kotły posiadają specjalne komory przystosowane do spalania odpadów drzewnych. Obecnie coraz większym zainteresowaniem cieszą się kotły, w których spala się zrębki drzewne i pastylki prasowanych trocin. Z uwagi na zapotrzebowanie energetyczne domów jednorodzinnych, rośnie zainteresowanie kotłami małej mocy na drewno (20-80 kW).
Mówiąc o paliwach odnawialnych należy wymienić słomę. Niestety słoma jest paliwem dość trudnym do prawidłowego spalania, o czym świadczy jego sprawność (35–70 proc.) w odniesieniu do spalania węgla. Wynika to z tego, że wiele części palnych słomy nie ulega spalaniu na skutek niewystarczającego wymieszania paliwa z powietrzem. Warunkiem spalania słomy jest utrzymanie jej wilgotności na poziomie 15-20 proc. Nowoczesne kotły przeznaczone do spalania słomy pozwalają na spalanie ze sprawnością 80–90 proc, przy bardzo niskiej emisji gazów. Kotły opalane słomą są w większości przypadków włączone do sieci centralnego ogrzewania obok tradycyjnego pieca. Takie rozwiązanie zapewni bezpieczeństwo energetyczne na wypadek braku słomy, ale jest możliwe tylko w przypadku wystarczająco dużej kotłowni. Stosowanie słomy jako biopaliwa nie jest póki co szeroko stosowane z uwagi na wysokie koszty inwestycyjne pomimo stosunkowo niskich kosztów eksploatacyjnych. Ceny kompletnych systemów opalanych słomą są 1,5–2 razy wyższe od systemów opalanych drewnem. Koszt budowy kotłowni opalanej biomasą może zwrócić się po około 4–5 latach, jeśli weźmiemy pod uwagę możliwość uzyskania kredytu z tytułu odnawialnych źródeł energii.

Nie zdajemy sobie sprawy z tego, że nawet 40% ciepła ucieka z domu przez wentylację. Rekuperator pozwala odzyskać połowę utraconego ciepła. Związek między wentylacją a ogrzewaniem polega na tym, że napływające do pomieszczeń powietrze z zewnątrz należy ogrzać. Ilość ciepła do wykonania tego zadania może być większa niż myślimy, a wpływa na nią między innymi to jak dom jest ocieplony. Tu właśnie wkracza rekuperator. Dzięki niemu ograniczamy zapotrzebowanie na ciepło, jednocześnie zapewniając skuteczną wentylację. Zasada działania jest prosta. Powietrze nawiewane (czerpane z zewnątrz) ogrzewa się, pobierając ciepło z powietrza wywiewanego (usuwanego na zewnątrz). Powietrze z zewnątrz do rekuperatora może docierać tylko za pomocą specjalnego przewodu. Powietrze z pomieszczeń, w których wykonuje się otwory wywiewne w systemie wentylacji grawitacyjnej, jest wyciągane przez wentylator do rekuperatora i dopiero po odzyskaniu z niego ciepła usuwane poza dom. Rekuperator umożliwia zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania domu nawet o 30–40 proc, o ile przegrody są dobrze ocieplone, a dom szczelny. Największą popularnością cieszą się wymienniki płytowe o krzyżowym przepływie powietrza z uwagi na konstrukcję i cenę. Ich sprawność temperaturowa odzyskiwania ciepła kształtuje się w granicach 60-65% (w przypadku podwójnego wymiennika nawet do 90%). Należy pamiętać, że system wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła, nie pokrywa całkowitych strat ciepła budynku. Nie pełni zatem sam w sobie funkcji ogrzewania powietrznego. Z pewnością jednak znacznie obniży ilość ciepła zużywaną przez system ogrzewania i stworzy ponadto możliwość filtracji powietrza dostarczonego z zewnątrz. Koszt rekuperatora z instalacją szacuje się na koszt 10 tys.–15 tys. zł.

Przydomowe turbiny wiatrowe są niewielkie. Sprawdzają się w zasilaniu dobrze ocieplonych domów, które potrzebują małej ilości prądu. W sprzyjających warunkach są w stanie dostarczyć około 3kWh energii na dobę. Nie należy ich traktować jako jedynego i wystarczalnego źródła energii, gdyż nie gwarantują stałego w nią zaopatrzenia. Elektrownie wiatrowe wytwarzają energię elektryczną kiedy wieje wiatr z odpowiednią prędkością. Sam więc fakt występowania wiatru nie jest gwarantem sukcesu. Do zasilania domów stosuje się elektrownie wiatrowe o wirnikach średnicy 1–4 m. tzw. "mikro" i "małe". O ile drugi typ pozwoli na zaspokojenie potrzeb elektrycznych całego domu, to pierwszy przysłuży się jedynie do ładowania baterii akumulatorów, z których prąd przeznaczany jest do oświetlenia pojedynczych lamp i czasem niewielkich pomieszczeń. Rozwiązanie z użyciem przydomowych wiatraków wymaga optymalnej lokalizacji budynku i dużych nakładów finansowych. Biorąc dodatkowo pod uwagę koszt, znaczne wahania wydajności w zależności od siły wiatru i mniej ważną kwestię jaką jest jednak fakt, iż taki wiatrak nie prezentuje się pięknie zwłaszcza w strefie przydomowej, warto się zastanowić czy jest to przedsięwzięcie warte zachodu.

Jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła pozwoli w przyszłości lepiej dbać o środowisko. Obecnie możliwości pozwalają nam na zastosowanie w domu jednorodzinnym kilku urządzeń grzewczych. Poleca się łączyć funkcję pompy ciepła z klimatyzacją, ogrzewania gazowego i kolektora słonecznego, ogrzewania elektrycznego i kominka lub kotła na biomasę. Co na tym zyskujemy? Przede wszystkim niezależność i bezpieczeństwo. Kiedy warunki w sezonie sprzyjają, możemy zapomnieć o droższym paliwie, co poskutkuje obniżeniem rachunków za energię. Ponadto przyczyniamy do poprawy stanu zdrowia naszego środowiska, a to z pewnością argument nie do podważenia. Ziemia zdaje się nam sama podsuwać rozwiązanie, dzięki któremu będziemy czerpać niezbędną nam energię, bez jednoczesnego wyrządzania szkody przyrodzie. Tym rozwiązaniem i przyszłością są odnawialne źródła energii.

Polecamy: Ulga termomodernizacyjna od 2019 roku