Niezależność energetyczna

Dom Zasilany Energią Słoneczną – studium przypadku

W moim wywiadzie z twórcą koncepcji Domów Zasilanych Energią Słoneczną (SEH – Sonnenenergiehaus), Gerd Schallenmüller – Dyrektor Generalny ReSYS AG, zapowiedział, że przekaże nam konkretne dane o uzyskach i zużyciu energii w takim budynku. Te dane przedstawiam tutaj. Jednak od razu ostrzegam: nie jest to przyjemna lektura, ale pełna szczegółów, faktów i danych liczbowych dla pierwszego monitorowanego przez firmę budynku SEH, który właśnie zakończył pierwszy rok eksploatacji.

Tekst jest tłumaczeniem drugiej części wywiadu przeprowadzonego w październiku 2016 przez Redaktora blogu Ecoquent (Grupa Ritter) z twórcą koncepcji domu niezależnego energetycznie, zasilanego głównie energią słoneczną – Sonnenenergiehaus (SEH). Główne założenia tej koncepcji to: zastosowanie wysokowydajnych kolektorów próżniowo-rurowych CPC w układzie AquaSystem, czyli wyłącznie z czystą wodą w obiegu solarnym przez cały rok oraz zbiorników buforowych o umiarkowanej pojemności, około 1000 – 2000 litrów w przypadku domów jednorodzinnych. Do kompletu niezbędna jest jeszcze elektrownia dachowa i ewentualnie magazyn energii elektrycznej. Więcej o tej koncepcji na stronie www.paradigma-duel.pl/SEH

Źródło: https://blog.paradigma.de/sonnenenergiehaus-ein-fallbeispiel-mit-echten-zahlen-energieautarkie/

Link do podglądu stanu systemu energetycznego on-line: www.resys-ag.de/beispiele

Gerd Schallenmüller mówi: “Dane dotyczące zużycia w pierwszym roku są absolutnym wskaźnikiem, czy słońce może zasilić dom jednorodzinny w dużej mierze niezależnie. Nawet symulacje przypisywałyby SEH wskaźnik autarkiczności ponad 75 procent dla ciepła i elektryczności. Osiągnęliśmy 82 procent energii elektrycznej i 84 procent ciepła!”

Obraz 1. Widok na zbiornik buforowy w pomieszczeniu technicznym. Zdjęcie: ReSYS AG

Gerd Schallenmüller odpowiada na pytanie, co chciał osiągnąć jako przedsiębiorca planujący pierwszy budynek w koncepcji SEH: “Chciałem udowodnić, że:

  • cały pakiet urządzeń może być umieszczony w normalnym pomieszczeniu technicznym, ponieważ coraz więcej domów budowanych jest na płycie fundamentowej (bez piwnicy),
  • zastosowana technika może być ekonomiczna, standardowa, niemniej jednak trwała – bez żadnych niedopracowanych rzeczy, takich jak silnik Stirlinga, czy ogniwa paliwowe.”

O gromadzeniu danych w pierwszym roku użytkowania Domu Zasilanego Energią Słoneczną

Centrum Naukowe Jülich (PTJ) będzie monitorować budynek przez trzy lata w ramach programów “HeizSolar” i “SolSys” zainicjowanych przez rząd federalny, wyjaśnia Gerd Schallenmüller. Monitorowanie będzie prowadzone przez ISE (Fraunhofer Institute in Freiburg).

Tymczasem wszystkie urządzenia pomiarowe Instytutu Fraunhofera ISE zainstalowano i transfer danych jest uruchomiony, ale jeszcze nie online. Według Schallenmüllera dostępne dane pochodzą z portali SMA (elektryczność) i Paradigma.

Obraz 2. Zgodnie z życzeniem klienta, w pomieszczeniu technicznym powinno być miejsce na stojaki do suszenia. Zdjęcie: ReSYS

O życzeniach klienta

Klient chciał mieć trwałe urządzenia do ogrzewania i zasilania energią, a także zagwarantowane miejsce w pomieszczeniu technicznym na suszarki.

Obraz 3. Widok na urządzenia do magazynowania energii elektrycznej, tak zamontowane, by zminimalizować zajęta powierzchnię. Zdjęcie: ReSYS AG
Obraz 4. Wnętrze magazynu energii elektrycznej. Zdjęcie: ReSYS AG

O samym budynku

Budynek, lokalizacja i orientacja w kierunku słońca

Dom wg koncepcji SEH dla rodziny Kirnerów projektowano w 2014 roku, a wybudowano w 2015 r. Konstrukcja drewniana stojąca na płycie fundamentowej, tj. bez piwnicy. Powierzchnia mieszkalna 161 m2. Pomieszczenie techniczne, typowe dla domu SEH, o powierzchni 14 metrów kwadratowych. Poddasze o powierzchni 62 m2 nie zostało jeszcze opracowane. Możliwe jest więc na przykład zainstalowanie trzech świetlików na dachu południowym / południowo-zachodnim (patrz szkic dachu poniżej). Dach ma kąt nachylenia wynoszący 32 stopnie i jest skierowany 25 stopni na zachód (205 stopni). Dom znajduje się w pobliżu miasta Freiburg, tj. w południowo-zachodniej części Niemiec.

Obraz 5. Szkic zajęcia dachu pokazuje, że jest jeszcze miejsce na trzy świetliki. Grafika: ReSYS AG

Zużycie energii

Dom jest obecnie zamieszkały przez trzy osoby. Według Gerda Schallenmüllera dom spełnia wymagania standardu energetycznego “KfW 40 Plus”. Zapotrzebowanie na ogrzewanie szacowane jest na 3500 kilowatogodzin rocznie. W tej wartości około 1800 kWh z wentylacji jest już uwzględnione, to znaczy odjęte. Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową wynosi 2350 kWh rocznie. Całkowite zapotrzebowanie na energię wynosi 9 200 kWh, przy czym należy pamiętać, że z powodu częstej stagnacji, w kolektorach występują bardzo duże straty (około 3000 kWh).

Obraz 6. Kominek w salonie zasili cały dom. Zdjęcie: ReSYS AG

Ogrzewanie i przygotowanie ciepłej wody

We wszystkich pomieszczeniach zainstalowano ogrzewanie powierzchniowe w postaci systemów ogrzewania podłogowego. Zamontowano kominek na drewno i pelety. Kominek podłączono do zasobnika ciepła EXPRESSO II 1100 ze stacją świeżej wody, więc nie tylko ogrzewa pomieszczenie, w którym został postawiony, ale cały budynek.

Na dachu zainstalowano:

  • solarny system grzewczy o powierzchni 20 m2 z kolektorami próżniowo-rurowymi typu CPC Aqua Plasma 19/50 (w pomieszczeniu technicznym – patrz plan poniżej – jest zasobnik ciepła o pojemności 1040 litrów ze stacją świeżej wody)
  • system fotowoltaiczny z 20 modułami słonecznymi o mocy 260 watów, łącznie 5200 watów.

Magazyn energii może przechować 3,7 kWh energii elektrycznej brutto, przy czym wartość użytecznej energii wynosi 2,96 kWh, stopień rozładowania lub głębokość rozładowania (DoD = Deep of Decharge) wynosi 80 procent. Warto wspomnieć: podczas gdy piekarnik, grill i kuchenka mikrofalowa są zasilane elektrycznie, to do gotowania właściciel zażyczył sobie kuchenkę gazową.

Istnieje również system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła i centralny systemem odkurzania.

Obraz 7. Projekt pomieszczenia technicznego od początku przewidywał nie tylko miejsce na urządzenia techniczne, ale także miejsce pralki i suszarek. Grafika: ReSYS AG

Decyzja dotycząca pieca na pellet i drewno opałowe wynikała z potrzeby niewielkiego dogrzewania, wyjaśnia Gerd Schallenmüller: “Tysiąc kilowatogodzin odpowiada 1/2 m3 drewnu lub 15 workom peletów lub 100 metrom sześciennym gazu ziemnego. Ponieważ jest też grzałka elektryczna, mieszkańcy mogą również czasem grzać bez użycia kominka. To tylko kwestia ceny. Kilowatogodzina gazu ziemnego kosztuje 5,8 centa, kWh drewna lub pelletu 5 centów, kWh gazu ziemnego 5,7 centa, a elektryczność domowa kosztuje 26 centów za kWh.”

Elementy konstrukcji decydujące o energooszczędności

Dla analizowanego budynku, jako kluczowe elementy należy wymienić:

  • System ścienny Övo Natur Plus firmy WeberHaus (wartość U według dostawcy: ÖvoNatur: U = 0,15 W / m²K, w ÖvoNatur Therm U = 0,12 W / m²K) Drewniana ściana stojąca ÖvoNatur o łącznej grubości 40 cm
  • Izolacja obwodowa pod płytą podłogową 20 cm,
  • Okna z 3 szybami
Obraz 8. Ilość ciepła dostarczanego do poszczególnych elementów systemu grzewczego SEH jest zliczana za pomocą liczników ciepła. Zdjęcie: ReSYS AG

Bilans energetyczny Domu Zasilanego Energią Słoneczną

Poniższe informacje zgromadził Gerd Schallenmüller za pierwszy rok użytkowania modelowego domu SEH:

  • System solarny wygenerował 6 865 kWh ciepła słonecznego w pierwszym roku użytkowania.
  • Wentylacja z odzyskiem ciepła dała w tym samym okresie 1400 kWh.
  • Piec zużył około pięciu worków peletów o wadze 15 kilogramów i 316 kłód drewna o ilości ciepła 1 202 kWh / rok.
  • Zastosowana grzałka elektryczna wyprodukowała 25 kWh / rok przy ogrzewaniu testowym.
  • System fotowoltaiczny dostarczył 5 850 kWh energii słonecznej. Z tego 3268 kWh zostało wprowadzonych do publicznej sieci w okresie objętym udokumentowaniem, dla którego pobierana była taryfa gwarantowana, podczas gdy zużycie energii elektrycznej przez gospodarstwo domowe wyniosło 2 566 kWh. Z sieci zużyto 476 kWh energii elektrycznej w okresie zużycia.
Obraz 9. Widok na centralę wentylacyjną z odzyskiem ciepła i centralny odkurzacz. Zdjęcie: ReSYS AG

Oszczędności energii, koszty energii, stopień niezależności w pierwszym roku eksploatacji

Według Gerda Schallenmüllera, dom ma “niezależność finansową” w wysokości 100 procent. Jeśli odjęta zostanie energia elektryczna z sieci i koszt drewna opałowego (drewno opałowe i pelety drzewne) oraz koszt energii elektrycznej z taryfy gwarantowanej, to nadal pozostanie 200 euro jako roczny zysk. W swojej ocenie ciepła Schallenmüller pisze: “Po raz pierwszy musiano ponownie ogrzać się 15 października 2015 r., Ponieważ temperatura w buforze spadła do 50 stopni Celsjusza. Następnie w pierwszych czterech dniach listopada piec musiał zostać ponownie podgrzany (około sześciu do ośmiu kawałków drewna). Ostatni raz, gdy piec był potrzebny od 2 do 5 marca 2016 r., W sumie działał 76 z 182 dni sezonu grzewczego.”

CIEPŁO Plan/Prognoza Dane Rzeczywiste
Zapotrzebowanie 9.000 kWh/a 9.500 kWh/a
Odzysk ciepła z wentylacji -1.200 kWh/a -1.456 kWh/a
Pokrycie energią słoneczną -6.800 kWh/a -6.839 kWh/a
Resza zapotrzebowania 1.000 kWh/a 1.207 kWh/a
ok. -80 EUR/a – 66 EUR/a
Stopień niezależności >75% 84.88%
ENERGIA ELEKTRYCZNA Prognoza Dane rzeczywiste
Zapotrzebowanie -2.500 kWh/a -2.567 kWh/a
Elektrownia dachowa 5.500 kWh/a 5.800 kWh/a
Ograniczenie mocy czynnej -510 kWh/a -500 kWh/a
75% Zużycie własne -2.000 kWh/a -2.000 kWh/a
25% -500 kWh/a -470 kWh/a
ok. 25% -130 EUR/a -120 EUR/a
Oddane do sieci 3.000 kWh/a 3.217 kWh/a
Oddane do sieci +350 EUR/a +386 EUR/a
Saldo 2015/2016 +230 EUR/a +266 EUR/a
Razem ciepło i prąd +150 EUR/a +200 EUR/a
Stopień niezależności >75% 82.46%
Porównanie ze standardowym zasilaniem
Uniknięte koszty ciepła 400 EUR/a 370 EUR/a
Uniknięte koszty prądu 650 EUR/a 660 EUR/a
Koszt stały taryfowy / Przychód za energię dla sieci 170 EUR/a 200 EUR/a
Solarna Renta 1.220 EUR/a 1.230 EUR/a
Rosnąca każdego roku wraz ze wzrostem cen energii
Obraz 10. Porównanie planowanych i faktycznych kosztów energii ciepnej i energii elektrycznej. Grafika: ReSYS AG

Wnioski projektantów

Wniosek Gerda Schallenmüllera o SEH: “Podczas, gdy duże systemy solarne zawsze wymagają dużych objętości bufora (5000 do 20 000 litrów), tu udowodniono, że domy jednorodzinne lub dwurodzinne mogą być wyposażone w wysokowydajne kolektory i całkowicie normalnej pojemności bufor z przepływowym przygotowaniem ciepłej wody. Osiągnięto samowystarczalność ponad 80 procent na ciepło i energię elektryczną. Specjalne rozwiązania architektoniczne nie są wymagane, ponieważ bufor ciepła mieści się w normalnym pomieszczeniu technicznym. Wspomniane wcześniej duże bufory wymagają jednak zajęcia powierzchni na dwóch lub nawet trzech kondygnacjach.

Projekt systemu elektrycznego zaowocował raczej małym systemem fotowoltaicznym, a także małym magazynem energii. Przy tym, co najmniej 82% energii elektrycznej można wykorzystać bezpośrednio ze słońca. Z doświadczenia wiemy, że każdy dodatkowy jeden procent samowystarczalności nie prowadzi do poprawy wyniku finansowego.”

Obraz 11. Schemat instalacji. Zdjęcie: ReSYS AG