Latvijasbūvniecība i n ž e n i e r i j a
ILZE DIMDIŅA, MG. SC. ING.
P
lānojot ēkas siltumenerģijas patēriņu, tiek ņemti vērā daudzi ēku raksturojoši lielumi, tajā skaitā ēkas siltuma zudumi caur norobežojošām konstrukcijām un siltuma zudumi ar ventilāciju, kā arī ēkas masivitāte un siltuma inerce. Atbilstoši aprēķinātam ēkas siltumenerģijas patēriņam un pieejām siltumenerģijas avotiem tiek izvēlēta piemērota sistēma un aprīkojums ēkas apsildei. Izvēloties ēkas siltuma avotus, ņemot vērā to ietekmi uz vidi, priekšroka dodama atjaunojamiem energoresursiem. Saskaņā ar noteikumiem par ēku energosertifikāciju [6], lai ēka atbilstu gandrīz nulles enerģijas ēkas prasībām, ir ierobežots enerģijas patēriņš apkurei līdz 30 kWh uz kvadrātmetru gadā, vienlaikus nodrošinot telpu mikroklimata atbilstību normatīvo aktu prasībām būvniecības, higiēnas un darba aizsardzības jomā. Turklāt ēkā jābūt izmantotām augstas efektivitātes sistēmām, vismaz daļēji nodrošinot atjaunojamās enerģijas izmantošanu un neizmantojot zemas lietderības fosilo kurināmo apkures iekārtas. Viens no risinājumiem ir izvēlēties gaisa siltumsūkni, kas siltuma ražošanai izmanto apkārtējās vides siltumu, nodrošinot siltumenerģijas pārvadi ēkas pusē attiecīgi uz gaisa vai ūdens siltumapgādes sistēmu. Atkarībā no risinājuma un iekārtas izvēles vasarā iespējams sistēmu darbināt dzesēšanas režīmā. Siltumsūkņu darbības energoefektivitāti raksturo ar koeficientiem COP, SCOP apsildes režīmā un EER un SEER dzesēšanas režīmā, kas tiek noteikti iekārtām definētos darba apstākļos. Prognozējot ēkas energoresursu patēriņu, jāņem vērā, ka faktiskos ekspluatācijas apstākļos energoefektivitāti raksturo-
Siltumsūkņa jaudas ietekme uz sasniedzamo energoefektivitāti auksta klimata apstākļos jošie koeficienti ir mainīgi, tos ietekmē tādi parametri kā āra gaisa temperatūra un ēkas siltumenerģijas pieprasījums, kuram atbilstoši mainās iekārtas darbības režīms un arī procentuālā noslodze [2].
Apkures jauda un ēkas siltuma inerce [1, 4]
Ēkas apkures sistēmas uzdevums ir uzturēt vēlamo telpu temperatūru noteiktā āra gaisa temperatūru diapazonā. Apkures sezonas sākums katrai ēkai var būt atšķirīgā āra gaisa temperatūrā, ko noteiks gan vēlamā telpu temperatūra, gan ēkas siltuma zudumu pārsvars pār siltuma ieguvumiem ēkā. Vispārīgi siltuma zudumus ēkā noteiks siltuma zudumi ar pārvadi caur konstrukcijām QT (1) un siltuma zudumi ar ventilāciju QVE (2) noteiktā temperatūru starpībā starp iekštelpu un āra gaisa temperatūru: QT = ∑ UiAi ∙ (tin – tout), kur (1) Ui – būvelementa i aprēķina siltuma caurlaidības koeficients W/(m2 K); Ai – būvelementa i projektējamais laukums, m2;
tin – iekšējā gaisa temperatūra telpā, °C; tout – āra gaisa temperatūra, °C; QVE = V ∙ ρ ∙ c ∙ (tin – tout), kur (2) V – gaisa daudzums, m3/h; ρ – gaisa blīvums, kg/m3; c – gaisa siltumietilpība, Wh/(kg °C). Zemākā āra gaisa temperatūra tout, kādā tiek aprēķināta siltumapgādes sistēmas jauda, tiek noteikta atbilstoši ēkas ģeogrāfiskajam novietojumam un attiecīgi lokāliem, raksturīgiem klimata parametriem un ēkas siltuminercei. Siltuma inerce D raksturo norobežojošo konstrukciju spēju dzēst temperatūras un siltuma plūsmas izmaiņas, līdz ar to ierobežojot iekštelpu temperatūras svārstības, mainoties āra gaisa temperatūrai. Jo lielāka ir ēkas būvelementu masa, jo lielāka ir tās siltuma inerce. Atbilstošo LR spēkā esošajiem likumu aktiem: K ēkas siltuma inerces D aprēķinu nosaka LBN 002–01 «Ēku norobežojošo konstrukciju siltumtehnika» [7]; K atbilstoši aprēķinātajai siltuma inerces
1. tabula. Apkures jaudas aprēķina āra gaisa temperatūra tout °C atbilstoši ēkas siltuma inercei D. Ēkas aprēķina siltuminerce D D<1,5
Ēkas siltuminerces kvalificējums Bezinerces ēka
Āra gaisa temperatūra tout °C Rīgai pēc LBN 003–01 –34,9 Absolūtā minimālā, iespējama 1x gadā
4>D≥1,5
Mazas siltuma inerces ēka
–31,0 Apkures sezonas visaukstākās diennakts vidējā (iespējama reizi 10 gados)
7>D≥4
Vidējas siltuma inerces ēka
–24,6 Apkures sezonas visaukstāko piecu dienu vidējā, 98% nodrošinājums
D≥7
Lielas siltuma inerces ēka
–20,7 Apkures sezonas visaukstāko piecu dienu vidējā, 92% nodrošinājums
#2(43)/14 91
LB0214 makets.indd 91
23.3.2014 14:45:54
Latvijasbūvniecība i n ž e n i e r i j a
vērtībai D aprēķina āra gaisa temperatūra tout tiek izvēlēta no LBN 003–01 «Būvklimatoloģija» [5]. Piemērs āra gaisa aprēķina temperatūras tout izvēlei dažādas siltuma inerces ēkām Rīgā apkopots 1. tabulā [11]. Līdz ar to, jo masīvākas ir ēkas konstrukcijas, jo lielāka ir ēkas siltuma inerce D, un aprēķina āra gaisa temperatūra tout var tikt izvēlēta augstāka, bet apkures sistēmas maksimālā jauda var tikt paredzēta mazāka. Ēkas siltuma inerces ietekme uz iekštelpu temperatūras izmaiņām atkarībā no apkures sistēmas darbības pētīta un teorētiskais aprēķins veikts Baibas Gaujēnas promocijas darbā [3]. Pētījumā salīdzināts, par cik grādiem samazinās telpas temperatūra, izslēdzoties apkures sistēmai projektētā āra gaisa temperatūrā tout = –20,7 °C, tai pazeminoties līdz –34,9 °C ēkās ar dažādām siltuma inercēm. Rezultāts rāda, ka pēc 8 stundām temperatūra telpās no +22 °C sākumā bija samazinājusies līdz: 1) +11,2 °C (par 10,8 °C) koka karkasa konstrukciju ēkā (ar salīdzinoši mazu siltuma inerci); 2) +15,2 °C (par 6,8 °C) vieglbetona bloku ēkā (ar vidēju siltuma inerci); 3) +18,6 °C (par 3,4 °C) ēkā ar ķieģeļu sienām ar izolāciju (ar salīdzinoši lielu siltuma inerci).
1. att. Vidēja klimata āra gaisa temperatūrai atbilstoša ēkas siltuma slodze un siltumsūkņa sildīšanas jaudas līknes atkarībā no izvēlētās projektēšanas āra gaisa temperatūras (attiecīgi –10 °C vai –7 °C).
Siltumsūkņa efektivitātes koeficienti COP un SCOP [8, 9, 10]
Siltumsūkņa efektivitātes koeficients (sildīšanas režīmā) COP1 raksturo efektīvās sildīšanas jaudas attiecību (kW) pret efektīvo elektrības ieejas jaudu (kW). Parametrs tiek noteikts nominālos standarta apstākļos (nominālā āra +7 °C un iekštelpu temperatūras vērtība nominālā darba režīmā). Siltumsūkņa sezonālais veiktspējas koeficients (sildīšanas režīmā) SCOP2 raksturo sildīšanas patēriņa (kWh) attiecību pret elektroenerģijas patēriņu (kWh). Sildīšanas patēriņš (kWh) tiek aprēķināts no gada sildīšanas pieprasījuma ar noteiktiem obligātajiem nosacījumiem (definēti EN 14825:2012 [9], piemēram, dažādu iekārtas darba režīmu – aktīvs, izslēgts, gaidstāve, ar fiksētu vai mainīgu ražību, kartera sildīšana u.c. – stundu skaits u.tml.). Koeficients SCOP izmantojams iekārtu marķēšanai, salīdzināšanai un sertifikācijai. Atšķirībā no siltumsūkņa darbības efektivitāti raksturojošiem koeficientiem dzesē-
2. att. Iekārtas darbības režīms nepārtrauktā vai ieslēgts/ izslēgts režīmā (ar gaiši zilu) un COP vērtības aprēķina zona (ar 100% noslodzi āra gaisa temperatūrā +7 °C).
šanas režīmā (attiecīgi EER un SEER) sildīšanas režīmam SCOP vērtība var būt 3 dažādi lielumi atkarībā no klimata, kādā iekārta tiek darbināta. Atkarībā no ēkas klimata zonas, kurā paredzēts darbināt siltumsūkni, var tikt aprēķinātas iekārtu raksturojošas SCOP vērtības [9]: K vidējam klimatam, aprēķina āra gaisa temperatūra –7 °C (aprēķina dati standartā Strasbūrai); K siltākam klimatam, aprēķina āra gaisa temperatūra +2 °C (aprēķina dati standartā Atēnām); K aukstākam klimatam, aprēķina āra gaisa temperatūra –22 °C (aprēķina dati standartā Helsinkiem).
Kā piemērs vidējam klimatam 1. attēlā parādīta raksturīgo āra gaisu temperatūru biežuma raksturlīkne (ar brūnu), ēkas siltumenerģijas pieprasījums (ar zaļu) un divu nominālo jaudu siltumsūkņu ražībai (ar zilu). Jaudīgākā siltumsūkņa iekārta izvēlēta aprēķina āra gaisa temperatūrā tout (vidējam klimatam –10 °C), sildīšanas jaudas raksturlīkne ar raustītu līniju. Optimizētā siltumsūkņa iekārta izvēlēta pēc samazinātas aprēķina āra gaisa temperatūras (–7 °C), paredzot darbināt mazākas nominālās jaudas gaisa siltumsūkni ar lielāku noslodzi, trūkstošo siltumenerģijas jaudu āra gaisa temperatūrās zem –7 °C kompensējot ar alternatīvu siltuma avotu (piemēram, elektrība, kamīns, apkures katls u.c.). Āra gaisa
92 #2(43)/14
LB0214 makets.indd 92
23.3.2014 14:46:03
Latvijasbūvniecība i n ž e n i e r i j a
režīmā. Siltumsūkņa darbības efektivitātes koeficients COP tiek noteikts +7 °C āra gaisa temperatūrā, iekārtai darbojoties nominālā režīmā. Siltumsūkņa darbības efektivitātes koeficients SCOP tiek aprēķināts, ņemot vērā iekārtas noslodzi atšķirīgās āra gaisa temperatūrās – skat. 3. att.
Kā notiek Latvijā?
3. att. Koeficienta SCOP vidējam klimatam vērtības aprēķins dažādām noslodzes jaudām (%) dažādās āra gaisa temperatūrās (vidējam klimatam).
4. attēls. Hibrīda tipa siltumsūkņa slēguma principiālā shēma, izmantojot integrētu gaiss–ūdens siltumsūkni ar neatjaunojamo resursu katlu. [12]
temperatūra, kad sāk izmantot papildu siltumenerģijas avotu, sauc par divvērtīgo punktu3. Atkarībā no konkrētās siltumsūkņa iekārtas tās darbība var būt režīmā «ieslēgts/ izslēgts» vai atbilstoši pieprasījumam. 2. attēlā ar gaiši zilu parādīta iekārtas minimālās slodzes raksturlīkne, kad mazākā pieprasījuma režīmā iekārta strādā «ieslēgts/izslēgts» režīmā, patērējot enerģiju gaidīšanas
Latvijai raksturīgie klimata apstākļi atbilst aukstākam klimatam, tāpēc, plānojot faktisko energoresursu patēriņu ēku apsildes sistēmām ar siltumsūkni, jāņem vērā SCOP vērtība aukstākam klimatam. Iekārtu ražotāju datu lapās atrodamās SCOP vērtības parasti atbilst vidējam klimatam. Vērtējot siltumsūkņa darbības efektivitāti sildīšanas režīmā, jāņem vērā, ka faktiskos ekspluatācijas apstākļos, kad ievērojami mainās diennakts, visa apkures perioda garumā āra gaisa temperatūra un atbilstoši tam arī ēkas siltumenerģijas patēriņa pieprasījums, uzstādītā siltumsūkņa jauda var būt iemesls tā darbināšanai salīdzinoši neefektīvā režīmā. Lai pēc iespējas efektīvi darbinātu gaisa siltumsūkņus Latvijai raksturīgos aukstāka klimata apstākļos, jāņem vērā: K iespējas kombinēt siltumenerģijas avotus, lai paaugstinātu aprēķina āra gaisa temperatūru siltumsūkņa darbībai un optimizētu iekārtas nominālās jaudas izvēli; K ēkas siltuma inerce, lai izvērtētu apkures sistēmas darbības iespējamo pārtraukumu ietekmi uz iekštelpu temperatūras svārstībām. Eksperimentālajās testa būvēs LU Botāniskajā dārzā (projekta Nr. 2013/0027/ 1DP/1.1.1.2.0/13/APIA/VIAA/007 ietvaros), kur sākts testēt dažādu tipu siltumsūkņus ekspluatācijas apstākļos, šobrīd tiek darbināti gaiss–gaiss un gaiss–ūdens tipa siltumsūkņi. Ar projekta rezultātiem vairāk var iepazīties mājaslapā www.eem.lv.
1 COP no angļu val. – Coefficient of Performance. 2 SCOP no angļu val. – Seasonal Coefficient of Performance. 3 Divvērtīgs punkts no angļu val. – Bivalent point. Literatūra: 1. Akmens P., Krēsliņš A. Ēku apkure un ventilācija. I un II daļa. – Rīga: Zvaigzne ABC, 1995. 2. Dimdiņa I. Siltumsūkņu jaudas ietekme uz sasniedzamo efektivitāti auksta klimata apstākļos. Latvijas Universitātes 72. konference, Rīga, 2014. 3. Gaujēna B. Ēku norobežojošo konstrukciju materiālu īpašību ietekme uz mikroklimatu telpās. Promocijas darba kopsavilkums. – Rīga, 2013. 4. LR Ministru kabinets. Noteikumi Nr. 348, 25.06.2013., «Ēkas energoefektivitātes aprēķina metode». – Rīga: Latvijas Vēstnesis, 2013. 5. LR Ministru kabinets. Noteikumi Nr. 376, 23.08.2001., Noteikumi par Latvijas būvnormatīvu LBN 003–01 «Būvklimatoloģija». – Rīga: Latvijas Vēstnesis, 2001. 6. LR Ministru kabinets. Noteikumi Nr. 383, 09.07.2013., Noteikumi par ēku energosertifikāciju. – Rīga: Latvijas Vēstnesis, 2003. 7. LR Ministru kabinets. Noteikumi Nr. 495, 27.11.2001., Noteikumi par Latvijas būvnormatīvu LBN 002–01 «Ēku norobežojošo konstrukciju siltumtehnika». – Rīga: Latvijas Vēstnesis, 2001. 8. Latvijas Valsts standarts. LVS EN 14511:2012 (1.–4. daļa) «Gaisa kondicionētāji, šķidra aukstumnesēja dzesētājpaketes un siltumsūkņi ar elektriskas piedziņas kompresoriem telpu apsildei un dzesēšanai». – Rīga: Latvijas Valsts standarts, 2011. 9. Latvijas Valsts standarts. LVS EN 14825:2012 «Gaisa kondicionētāji, šķidra aukstumnesēja dzesētājpaketes un siltumsūkņi ar elektriskas piedziņas kompresoriem telpu apsildei un dzesēšanai. Testēšana un novērtēšana nepilnas slodzes apstākļos un sezonālā lietderības aprēķināšana». – Rīga: Latvijas Valsts standarts, 2012. 10. Verdiesen I. Seasonal Efficiency for dummies. Daikin Academy. 11. Vrubļevskis V. Ēku siltuma un mitruma izolācija. Lekciju materiāli. 12. Aspeslagh B., Debaets S., «Hybrid heat pumps – saving energy and reducing carbon emissions». REHVA Journal – 3/2013, 20.-25.lpp.
#2(43)/14 93
LB0214 makets.indd 93
23.3.2014 14:46:12