W pracy postawiono tezę, że możliwe jest, dla domu jednorodzinnego w Polsce, uzyskanie rocznego bilansu zeroenergetycznego przy pomocy odpowiednio dobranych przydomowych źródeł OZE oraz składowania energii w zasobnikach. Dotyczy to zarówno istniejącego (po termomodernizacji) jak i nowo wybudowanego budynku. Przygotowano komputerowy program symulacyjny (Bilans_nZEB), w którym przeanalizowano zapotrzebowanie na energię brutto dla testowego budynku na podstawie zużycia gazu ziemnego z poprzednich lat. Wyliczono możliwe uzyski biomasy i energii z fotowoltaiki dla położenia geograficznego i usytuowania budynku i działek (do 6 Mg owsa o wartości opałowej 18 MJ/kg i do 10MWhe z PV). Przy pomocy symulacji komputerowej wyliczono optymalne moce urządzeń OZE (w dwóch wariantach), które pokryłyby to zapotrzebowanie budynku na energię zarówno cieplną, jak i elektryczną w skali całego roku. Przyjęto założenie, że nadmiary energii elektrycznej będą oddawane do sieci energetycznej w okresie letnim i odzyskiwane (w 80%) w okresie zimowym. Przeprowadzono eksperyment badawczy, polegający na wyposażeniu istniejącego budynku (Jerzmanowice 461a, 270m²) w kocioł na lokalnie uprawianą biomasę (owies), o mocy 25 kW oraz budowie instalację PV o mocy 4,5kWp (Wariant 1). W drugim wariancie eksperymentu rozbudowano instalację PV do mocy 10 kWp, a zamiast kotła na biomasę wprowadzono system trzech pomp ciepła - PC1 do CO, PC2 do dogrzewania/schładzania powietrza wentylacyjnego i PC3 do przygotowania CWU. W Wariancie 1 uzyskano wynik zgodny z symulacją komputerową, testowany w skali całego roku (od 1.maja 2015 do 30. kwietnia 2016) dom wykazywał zerowy bilans energetyczny. W Wariancie tym zużyto na cele grzewcze ok. 5,3 Mg owsa oraz pozyskano ok. 4,5 MWh energii elektrycznej z PV, którą częściowo wykorzystano a część oddano do sieci i odzyskano w okresie jesienno-zimowym dla zaspokojenia (nie grzewczych) potrzeb energetycznych budynku. Roczny bilans energii elektrycznej wyniósł zero (z symulacji +1,4 kWh), nie licząc stałych opłat licznikowych. W Wariancie 2, z rozbudowanego systemu PV uzyskano ponad 10 MWh energii elektrycznej, którą częściowo wykorzystano bezpośrednio w okresie letnim (wentylacja i chłodzenie, CWU), a częściowo oddano do sieci OSD Tauron, w celu zaspokojenia potrzeb energetycznych budynku w pozostałym okresie. Działające trzy pompy ciepła o dużej efektywności (SCOP >3) zapewniały duży komfort klimatyczny budynku w okresie całego roku (tj. od 1.maja 2016 do 30. kwietnia 2017). Bilans energii elektrycznej wyniósł zero (z symulacji +3,56 kWh), nie licząc stałych opłat licznikowych. Wyliczono okresy zwrotów nakładów dla obu wariantów, wykazując, że okresy te będą krótsze niż czas amortyzacji urządzeń (dla kotła na owies i fotowoltaiki po 6 i 7 lat odpowiednio). W zakresie emisji kocioł w klasy 5, Wariancie 1 nie był istotnym źródłem emisji GHG. Przeprowadzono analizę zawartości popiołu z owsa wykazując, że nie powoduje on zagrożenia dla środowiska. Dla systemu pomp ciepła czerpiących energię z PV wykazano, że emisje GHG są bliskie zeru. W wyniku eksperymentów wykazano bardzo istotną rolę postawy mieszkańców dla realizacji bilansu zeroenergetycznego, szczególnie w zakresie zmiany przyzwyczajeń energetycznych. Wykazano, że jest możliwe w Polsce uzyskanie bilansu zeroenergetycznego w skali roku zarówno w zmodernizowanym budynku o znacznym zapotrzebowaniu na Ek (96,3 kWh/(m² · rok)) jak i w budynku energooszczędnym (19,25 kWh/(m² · rok)) przy zastosowaniu odpowiednich źródeł OZE, pomp ciepła oraz systemu zarządzania energią w budynku (BMS).
This paper presents PhD dissertation on possible retrofit of an existing house with demand of primary energy of 90-120 kWh/sqm/a to a zero energy building (nZEB) or near zero energy (nearZEB) according to the EU EPBD Directive.
Author finds out a methodology of zero energy solution for a detached country house in the South area of Poland (the Galia House) as from home owner’s perspective. Both the technical and economical aspects are concerned, with a high respect of environmental issues. Two separate retrofit scenarios were designed, performed and discussed. First one with a bio boiler (used oats as fuel) and 4,5 kWp of a roof mounted PV system. The oat was planted (5,3 Mg) in the neighborhoods of the house. In the other scenario, the house’s PV generator was enlarged to 10 kWp PV (on-grid) and 3 heat pumps were installed. The HPs were used for: Central Heating (GSHP 14kW), for ventilation (working also as climate control, ASHP 3 kW) and the third one (ASHP 1 kW) for DHW.
In the first scenario, all heating demands were provided by the bio stove, no climate control (cooling/heating) was possible. In the other, all heating/cooling energy was supplied by HPs. In both scenarios PV provided energy for house electricity needs (light, cooking, white staff etc), and the surplus was stored in the grid (in the second variant the electricity was also used for HVAC). The grid stored electricity was regained with a yield of 80% from the local energy supplier. The tests were performed for 24 months, in one -year period for every scenario (01.05.201530.04.2016 for the first and 01.05.2016-30.04.2017 for the second). In the first scenario, the building had received nearZEB state and in the second nZEB state, as some changes were made in the house in meantime (eg. upgrading of BMS software, introducing Ground Heat Exchanger, and expanding the PV generator from 1 to 3 phase 10kWp system). The demand of renewable primary energy in scenarios were down to: 96,3 and 19,25 kWh/sqm/a respectively.
From the environment point of view, the first scenario generated some pollution limited to the class 5 combustion bio stove regulation. The carbon dioxide and GHG were balanced near to zero. The (oats) ashes proofed to be a good fertilizer. The other scenario generated virtually zero emissions, as the energy was purely from PV, partly stored in the grid. The 20% of exported energy left in the grid (national system, net-metering 1:0,8) compensated the amount of “black energy” imported from the grid in the low light periods of test. The BMS system was designed to increase PV self-consumption and energy storage (both TES and electric battery) as well as to optimize operation of entire building energy systems. It also helped the inhabitants to manage the new energy system and understand how their behavior impact the energy demand of the household. The added value of this work is determining the formulas of load shifting and recovery (a piece of software was developed for it) by use of national electricity grid as a storage pool for surplus of PV energy in summer in Poland.
The residents were satisfied with both solutions, nevertheless they preferred the second variant (HPs) as it demanded less activity from their side (like oats supply). Pricewise they preferred the bio stove solution as it costed half of the HPs system. They liked the most the nZEB state, meaning zero cost for energy for the whole period of test (only fixed metering fees).
