Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Smetanova ulica Maribor, Slovenija Jure Novak ZAGOTAVLJANJE ENERGETSKE SAMOZADOSTNOS

Transkripcija

1 Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Smetanova ulica Maribor, Slovenija ZAGOTAVLJANJE ENERGETSKE SAMOZADOSTNOSTI STANOVANJSKE HIŠE Maribor, september 2014

2 ZAGOTAVLJANJE ENERGETSKE SAMOZADOSTNOSTI STANOVANJSKE HIŠE Študent(ka): Študijski program: Smer: Mentor: Mentorica: Gospodarsko inženirstvo - magistrski Elektrotehnika Močnostna elektrotehnika red. prof. dr. Gorazd Štumberger izr. prof. dr. Tanja Markovič Hribernik ii

3 iii

4 ZAHVALA Za strokovno pomoč in vodenje pri opravljanju magistrskega dela se zahvaljujem mentorjema red. prof. dr. Gorazdu Štumbergerju in izr. prof. dr. Tanji Markovič Hribernik. Prav tako gre zahvala somentorju dr. Franju Mlinariču za nasvete in podporo v času pisanja magistrske naloge. Posebna zahvala velja staršem za podporo in razumevanje v času študija ter vsem ostalim, ki so mi pomagali pri nastanku magistrskega dela. iv

5 Zagotavljanje energetske samozadostnosti stanovanjske hiše Ključne besede: energetska samozadostnost, sončna elektrarna, stanovanjska hiša, toplotna črpalka, ogrevanje, ekonomska upravičenost, doba vračanja investicije UDK: : (043.2) Povzetek V magistrskem delu je predstavljena prenova klasične stanovanjske hiše v energetsko samozadostno hišo. Vzrok za takšno odločitev je bila želja, da z ogrevanjem in hlajenjem čim manj obremenjujemo okolje na eni strani, na drugi strani pa zmanjšamo stroške delovanja hiše. V prvem delu smo opisali lastnosti nizkoenergijskih hiš ter predstavili uporabljene tehniške sisteme. Osredotočili smo se na opise fizikalnih in kemijskih lastnosti toplotne črpalke in fotonapetostnih modulov. Predstavili smo potrebe hiše po energiji, kar je osnova za zasnovo sistema oskrbe z energijo. Preučili smo vse toplotne izgube stanovanjske hiše nakar smo na podlagi le teh s tehničnega vidika izbrali primerno toplotno črpalko. Za kritje celotnih potreb po električni energiji, smo na podlagi izračunov izbrali še primerno sončno elektrarno. V drugem delu smo celoten projekt ovrednotili še iz ekonomskega vidika. Z uporabo različnih ekonomskih metod smo raziskali upravičenost investicije. Analizirali smo različne stroškovne elemente kot so letni stroški, začetno stanje, stroški dela in vzdrževanja, inflacija, čas vračanja vloženih sredstev in upravičenost v naložbo. Predstavili smo tudi pomoči, v obliki nepovratnih sredstev, ki nam jih ponuja država. V magistrskem delu smo izhajali iz naslednjih predpostavk: da obstoječ sistem ogrevanja stavbe in sanitarne vode ni povsem ekonomsko upravičen, da ga je možno nadomestiti s toplotno črpalko, da lahko zagotovimo vso električno energijo za izbrano stanovanjsko hišo s pomočjo sončne energije, ter da bomo pridobili dovolj podatkov za stroškovno ovrednotenje investicije. v

6 Ensuring energy self sufficiency of a residental house Key words: energy self sufficiency, photovoltaic power plant, residential house, heat pump, heating, cost justification analysis, period of returning investment UDK: : (043.2) Abstract In the master s thesis the renovation of a traditional family house into an energy selfsufficient house is presented. The aim was to minimise pollution caused from heating and cooling, while lowering the operational costs of a house at the same time. The first part describes the characteristics of a low-energy house and presents applied technical systems. Special was paid to the physical and chemical characteristics of a heat pump and photovoltaic modules. Energy demand of the discussed house, which is the basis for design of a self-sufficient energy supply system, is presented. A heat loss analysis for the entire family house was made, which served as a basis for the technical analysis and appropriate heat pump design. To cover electricity demand a suitable photovoltaic power plant was selected based on calculations. The second part includes an economic evaluation of the project. The eligibility of the investment was researched using different economic methodology. An analysis of various cost elements was made, such as annual costs, initial state, works and maintenance costs, inflation, invested assets return period and investment eligibility. Furthermore the state aid in the form of grants was also presented. The master's thesis was based on the following assumptions, the existing heating and hot water supply system is not economically justified, it can be replaced with a heat pump, the required electricity demand can be provided from a solar energy source, and sufficient relevant data is available to perform the cost estimate of the investment. vi

7 UPORABLJENI SIMBOLI U Toplotna prehodnost [W/ m²k] Toplotna prestopnost na notranji strani konstrukcije [W/ m²k] n Toplotna prestopnost na zunanji strani konstrukcije [W/ m²k] z d Debelina posameznega homogenega sloja [m] i Toplotna prevodnost posameznega homogenega sloja [W/mK] i Q Transmisijska toplota [W] T A Površina [m²] T Notranja temperatura [K] n T Zunanja temperatura [K] z Q Dodatna toplota zaradi prezračevanja [W] L V Pretok zraka [m³/s] ρ Gostota zraka [kg/ m³] c Specifična toplota zraka [J/kgK] T Temperatura notranjega zraka [K] n T Temperatura zraka, ki vstopa v prostor [K] z V Prostornina ogrevanega prostora [m³] n Predvidena stopnja izmenjave zraka [/] Q Skupna potrebna toplota [W] N Q Transmisijska toplota [W] T P G - Skupna toplotna moč za ogrevanje objekta in sanitarne vode [W] P o - Primanjkljaj toplotne moči objekta [W] P SV - Toplotna moč za ogrevanje sanitarne vode [W] - Izkoristek ogreval [/] Q NH - Letna poraba energije za ogrevanje objekta [kwh] P o - Primanjkljaj toplotne moči objekta [W] TP - Temperaturni primanjkljaj [K/dni] vii

8 T - Projektna temperaturna razlika [K] Q CEL - Celotna letna energija za ogrevanje objekta in sanitarne vode [kwh] Q NH - Letna poraba energije za ogrevanje objekta [kwh] Q SV - Letna poraba energije za sanitarno vodo [kwh] Q TČ - Toplotna moč toplotne črpalke [W] V HTO - Velikost hranilnika toplote [m³] V HT - Hranilnik toplote [m³] f - Faktor prekinitve dovoda električne energije [/] t - Čas pokrivanja ogrevalne moči stavbe [s] m - Masa hranilnika [kg] QTČ - Nazivna toplotna moč TČ [kw] Q E - Letna poraba električne energije za pogon kompresorja TČ [kwh] Q SE - Skupna ocena letne porabe električne energije [kwh] Q E - Letna poraba električne energije za pogon kompresorja TČ [kwh] Q LET - Letna poraba električne energije [kwh] P SE Potrebna moč sončne elektrarne [kw] W LED Letni energijski donos [kwh/kwp] W letna Predvidena skupna poraba električne energije [kwh] n mod Število modulov [/] P SE Moč sončne elektrarne [kw] P MPP Vršna moč modula [Wp] p m Površina modula [m²] š Širina modula [m²] v Višina modula [m²] p SE Površina sončne elektrarne [m²] viii

9 p ST Površina strehe [m²] a Širina hiše [m²] b Dolžina hiše [m²] cos( ) Naklon strehe [ ] P SE Instalirana moč sončne elektrarne [kw] Q DAN Dnevna poraba električne energije [kwh] C SIS Kapaciteta akumulatorske baterije [Ah] p db Največje dopustno praznjenje akumulatorske baterije [%] U SIS Nazivna napetost sistema [V] G Poraba goriva v sezoni [kg] H i Kurilnost goriva [kwh/kg] h k Izkoristek kotla [%] G v Poraba goriva v sezoni [l] p Gostota kurilnega olja [kg/m³] S d Skupni donosi projekta [/] S o Skupni odhodki projekta [/] r Diskontna stopnja določena vnaprej [%] n Število obdobij v življenjski dobi projekta [/] i Tekoči indeks časovnih obdobij [/] r p Diskontna stopnja pri kateri je NSP pozitiven [%] r n Diskontna stopnja pri kateri je NSP negativen [%] E Kazalnik gospodarnosti [/] S d Skupni donosi projekta [/] S o Skupni odhodki projekta [/] D Kazalnik donosnosti ali rentabilnosti naložb [%] ix

10 UPORABLJENE KRATICE TČ EU OVE PV IR LiBr LiCl SSE NH3 H2O DDV CO2 NEH PH PVC COP SPF LCD DC AC URE PURES ARSO MPP NSV ISD SV CIS CdTe EER Toplotna črpalka Evropska Unija Obnovljivi viri energije Fotovoltaika Infrardeči Litijev bromid Litijev klorid Sprejemniki sončne energije Amoniak Voda Davek na dodano vrednost Ogljikov dioksid Nizkoenergijska hiša Pasivna hiša Polivinil klorid Coefficient of performance (grelno število) Seasonal performance factor (letno grelno število) Liquid cristal display (zaslon s tekočimi kristali) Direct current (enosmerni tok) Alternating current (izmenični tok) Učinkovita raba energije Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah Agencija Republike Slovenije za okolje Maximum power point (točka maksimalne moči) Neto sedanja vrednost Interna stopnja donosnosti Sedanja vrednost Bakrov indij selenid Kadmijev telur Koeficient energetske učinkovitosti TČ x

11 SV ISP NSP NSP p NSP n WACC Sedanja vrednost projekta Interna stopnja prihranka Neto skupni prihranek Neto skupni prihranek pri uporabljeni diskontni stopnji r p Neto skupni prihranek pri uporabljeni diskontni stopnji r n Tehtano povprečje stroškov xi

12 KAZALO 1 UVOD ENERGIJSKO VARČNA HIŠA Predstavitev nizkoenergijskih hiš Kriteriji za načrtovanje energijsko samozadostne hiše Energijsko število Prezračevanje Izolacija energetsko varčne hiše Stavbno pohištvo Toplotni most Ogrevanje Ogrevanje s toplotno črpalko Ogrevanje sanitarne vode s toplotno črpalko TOPLOTNA ČRPALKA Delovanje toplotne črpalke Split izvedbe toplotne črpalke Testne metode in prednosti uporabe toplotne črpalke Letno grelno število Princip delovanja toplotne črpalke v log p - h diagramu Učinkovitost toplotne črpalke zrak/voda FOTOVOLTAIKA Osnovi princip delovanja sončne elektrarne xii

13 4.2 Sončne celice Sestava sončne celice Delovanje sončne celice Karakteristika sončne celice Otočne sončne elektrarne TRANSMISIJSKI IZRAČUN STANOVANJSKE HIŠE Toplotna prehodnost posameznih konstrukcij Izračun specifičnih toplotnih izgub Izračun toplotnih izgub za posamezen prostor v stanovanjski hiši Izračun potrebne dodatne toplote zaradi prezrečevanja Skupne toplotne izgube Določitev ogrevalnih potreb stanovanjske hiše POSTAVITEV SISTEMA ZA ENERGETSKO SAMOZADOSTNOST Izračun toplotne moči toplotne črpalke Dimenzioniranje fotonapetostnega sistema Razsmernik Dimenzioniranje akumulatorske baterije POSLOVNO FINANČNA ANALIZA Ekonomska analiza trga energije Ekonomska analiza trga električne energije Ekonomska analiza naftnih derivatov in kurilnega olja Nepovratna sredstva eko sklada RS Nepovratna sredstva za izgradnjo sončne elektrarne xiii

14 7.4 Nepovratna sredstva za vgradnjo toplotne črpalke Analiza obratovalnih stroškov Analiza investicijskih stroškov Obračun amortizacije Stroški financiranja KALKULACIJA INVESTICIJE Z UPORABO DINAMIČNIH METOD Izračun porabe goriva za ogrevanje objekta in sanitarne vode Izračun stroškov električne energije Neto sedanja vrednost investicije Neto sedanja vrednost investicije v sistem za energetsko samozadostnost Interna stopnja donosnosti Ostali kazalniki učinkovitosti in uspešnosti Kazalnik gospodarnosti Kazalnik donosnosti naložbe SKLEP LITERATURA IN VIRI PRILOGE xiv

15 KAZALO SLIK SLIKA 2.1: Toplotne izgube hiše... 3 SLIKA 2.2: Energijsko število v odvisnosti od transmisijskih in ventilacijskih izgub SLIKA 2.3: Slika objekta s termografsko kamero SLIKA 2.4: Poraba energije po namenu za gospodinjstva, Slovenija SLIKA 2.5: Ogrevanje stavbe in sanitarne vode s toplotno črpalko zrak/voda SLIKA 3.1: Ogrevanje in hlajenje s TČ - temperaturni režimi. 17 SLIKA 3.2: Split izvedba toplotne črpalke zrak/voda.. 18 SLIKA 3.3: Proces toplotne črpalke v log p - h diagramu SLIKA 3.4: Shematski prikaz delovanja toplotne črpalke SLIKA 4.1: Koncept fotovoltaike. 24 SLIKA 4.2: Različne tehnologije sončnih celic SLIKA 4.3: Polprevodniška sončna celica SLIKA 4.4: I-U karakteristika sončne celice, PV modula ali PV polja SLIKA 4.5: Delovanje otočnega sistema.. 31 SLIKA 5.1: Transmisijske toplotne izgub SLIKA 5.2: Bakrena streha.. 35 SLIKA 5.3: Okno Internorm. 36 SLIKA 6.1: Zunanja enota toplotne črpalke Daikin Altherma SLIKA 6.2: Uporabniški vmesnik toplotne črpalke.. 50 SLIKA 6.3: Tehnični podatki za zunanjo enoto TČ.. 51 xv

16 SLIKA 6.4: Tehnični podatki za notranjo enoto TČ SLIKA 6.5: Projektni podatki za Mursko Soboto. 54 SLIKA 6.6: Projektni podatki za Mursko Soboto. 55 SLIKA 6.7: Monokristalni silicijev modul.. 56 SLIKA 6.8: Tehnični podatki modula SLIKA 6.9: Električna učinkovitost v odvisnosti od toka (I) in moči (P). 57 SLIKA 6.10: Odvisnost I SC, U oc, P max od obsevnosti (temperatura celic 25 C) SLIKA 6.11: Odvisnost I SC, U oc, P max od temperature.. 58 SLIKA 6.12: : Odvisnost I SC, U oc, P max od obsevnosti (temperatura celic 25 C).. 58 SLIKA 7.1: Cene električne energije za gospodinjstva od do SLIKA 7.2: Cena kurilnega olja od do SLIKA 7.3: Specifikacijo računa sončne elektrarne. 73 SLIKA 7.4: Izračuni tehtnega povprečja stroškov kapitala (WACC) SLIKA 7.5: WACC analiza SLIKA 8.1: Specifikacija računa električne energije 81 xvi

17 KAZALO TABEL TABELA 2.1: Tabela za energijsko število objekta TABELA 5.1: Razporeditev in površina prostorov v pritličju stanovanjske hiše TABELA 5.2: Razporeditev in površina prostorov v mansardi stanovanjske hiše TABELA 5.3: Sestava zunanje stene in toplotna prevodnost posameznega sloja 34 TABELA 5.4: Sestava notranje stene in toplotna prevodnost posameznega sloja TABELA 5.5: Sestava strehe in toplotna prevodnost posameznega sloja. 36 TABELA 5.6: Temperature prostorov v pritličju stanovanjske hiše..38 TABELA 5.7: Temperature prostorov v mansardi stanovanjske hiše TABELA 5.8: Toplotne izgube predsobe TABELA 5.9: Toplotne izgube kurilnice TABELA 5.10: Toplotne izgube dnevne sobe TABELA 5.11: Toplotne izgube kuhinje TABELA 5.12: Toplotne izgube hodnika.. 40 TABELA 5.13: Toplotne izgube WC ja..41 TABELA 5.14: Toplotne izgube stopnišča TABELA 5.15: Toplotne izgube hodnika.. 41 TABELA 5.16: Toplotne izgube sobe...41 TABELA 5.17: Toplotne izgube spalnice.. 42 TABELA 5.18: Toplotne izgube kopalnice TABELA 5.19: Toplotne izgube sobe...42 xvii

18 TABELA 5.20: Toplotne izgube zaradi prezračevanja v stanovanjski hiši TABELA 5.21: Toplotne potrebe stanovanjske hiše TABELA 5.22: Raba tople sanitarne vode in potrebna energija za segretje..45 TABELA 6.1: Karakteristike razsmernika. 62 TABELA 8.1: Neto sedanjo vrednost investicije v TČ zrak/voda in otočno SE TABELA 8.2: Neto sedanja vrednost.84 TABELA 8.3: Neto sedanja vrednost skupne investicije pri različnih diskontnih stopnjah.. 86 TABELA 8.4: Neto sedanja vrednost skupne investicije pri diskontni stopnji 3, TABELA 8.5: Kazalniki gospodarnosti. 88 TABELA 8.6: Kazalnik donosnosti naložbe ali rentabilnost naložbe xviii

19 1 UVOD Stavbe se pojavljajo v zelo različnih oblikah in za različne namene. Skozi zgodovino so se spreminjale zaradi številnih dejavnikov: od razpoložljivih gradbenih materialov do vremenskih pogojev, cene zemljišč, vrste tal, namena in estetskih razlogov. Stavbe zadovoljujejo različne potrebe, ki jih ima družba predvsem kot zaščita pred vremenom in na splošno kot prostor za bivanje (za zagotavljanje zasebnosti, shranjevanje lastnine, udobno življenje in delo). Da ustvarimo potrebno notranjo mikroklimo potrebujemo veliko energije. Zato ima izgradnja konstrukcije stavbe in njeno delovanje velikanske neposredne in posredne vplive na okolje. Ne samo, da v stavbah rabimo naravne vire kot so energija in surovine, poleg tega tudi ustvarjamo odpadke in emisije, ki so lahko škodljivi za podnebje. Ker se na eni strani gospodarstvo in prebivalstvo še naprej širita, se na drugi strani soočamo z edinstvenim izzivom: nove in obnovljene stavbe naj bi bile po eni strani ekonomsko dostopne, varne, zdravju prijazne in stimulativne, hkrati pa naj bi imele čim manjši vpliv na okolje. Sodoben odgovor na te izzive je celovit, sinergijski pristop, ki upošteva vse faze življenjskega cikla stavbe. Takšen trajnostni pristop daje vse večji pomen upravljanju z naravo in ohranjanju narave. Posledica tega je največje možno razmerje med stroški ter koristmi za okolje, družbo in človeka ter hkrati izpolnjevanje cilja in namena stavbe ali infrastrukture. Glavni cilji izgradnje varčnih hiš so: preprečiti prekomerno rabo energije, vode in surovin; preprečiti poslabšanje okolja, ki ga povzročajo stavbe in drugi objekti v svoji življenjski dobi; ustvariti okolja, ki so primerna za bivanje, udobna, varna in primerna za kvalitetno življenje. Pojmi kot so energetsko varčna hiša, nizkoenergijska hiša, energetsko samozadostna hiša in podobno se v zadnjem času vse pogosteje uporabljajo. Izoblikovali so se že kriteriji, ki ga mora dosegati določen objekt, da ga lahko uvrstimo v določen razred [2]. Pri načrtovanju energetsko varčnih hiš, ni dovolj le zadostna debelina izolacije zunanjega ovoja, pomembna je tudi pravilna vgradnja stavbnega pohištva, orientacija na parceli, arhitekturna zasnova in izbira ustreznega sistema ogrevanja. Na splošno velja, da zmanjšanje rabe energije pri hišah dosežemo z naslednjimi ukrepi [1]: zmanjšanje toplotne prehodnosti obodnih konstrukcij in vgradnja energetsko varčnih oken, 1

20 uporaba izboljšanih sistemov ogrevanja (pravilno načrtovani z izboljšanimi kotli z avtomatsko regulacijo) v povezavi s solarnim sistemom ali toplotno črpalko, izkoriščanje toplote izrabljenega zraka. V večini evropskih držav so v uporabi tako imenovani nizkoenergetski standardi pri gradnji stanovanjskih hiš. Kot glavno vodilo se uporablja energijsko število, ki pomeni specifično porabo energije na enoto površine zgradbe v določenem časovnem obdobju. Energijsko število v katerem je zajeta poraba energije za ogrevanje in pripravo topole vode, se lahko izračuna za novogradnjo, kjer nam služi kot napoved porabe energije, kot tudi za obstoječo zgradbo, da lahko ocenimo energetsko učinkovitost. [3] V magistrskem delu smo se osredotočili na to, kako iz stanovanjske hiše narediti energijsko neto samozadostno (neodvisno) hišo. To pomeni, da v povprečju čez leto proizvedemo toliko energije kot jo porabimo. Torej hiša katera bo vse potrebe po energiji (ogrevanje, sanitarna voda, elektrika za gospodinjstvo in razsvetljavo) pokrivala z izrabo obnovljivih virov energije. Prikazali smo, da lahko s kombinacijo primerne toplotne črpalke in otočne sončne elektrarne zagotavljamo energijsko neto samozadostnost. Hkrati vplivamo na naravi prijazno oskrbo stavb z energijo iz naslednjih razlogov: Omogočamo znatne prihranke primarne energije in zmanjšujejo emisije CO2; Zmanjšujemo obremenitve javnega električnega omrežja v smislu manjše vršne moči ter porabe energije, kar pripomore tudi k večji stabilnosti omrežja; Ne uporabljamo delovnih snovi z visokim ekvivalentom toplogrednega učinka. Med omejitvami magistrskega dela je analiza izbrane stanovanjske hiše, kjer smo preverjali možnosti postavitve sistema za zagotavljanje energetske samozadostnosti. Zato ne moremo sprejeti splošnih sklepov o tem, ali je možno tak sistem postaviti na vsako stavbo. Magistrsko delo tudi ne bo vsebovalo konkretnih meritev, temveč zgolj hipotetične podatke. Pri izdelavi magistrske naloge smo uporabili deskriptivne in komparativne metode s študijem domače in tuje literature ter spletnih virov. Pridobljena teoretična znanja in praktične izkušnje smo aplicirali na praktičnem primeru. 2

21 2 ENERGIJSKO VARČNA HIŠA Pri gradnji sodobnih, energetsko varčnih hiš se srečujemo s povsem novimi izrazi oziroma z različnimi koncepti, ki med investitorji povzročajo precej nejasnosti in negotovosti [4]. V nadaljevanju smo za lažje razumevanje pojasnili in opisali nekatere najbolj pogoste koncepte energijsko varčnih hiš. Rečemo lahko, da energijsko učinkovita gradnja ni modna muha, temveč potreba današnjega časa, ko je energija čedalje dražja pa tudi investitorji so čedalje bolj ozaveščeni o škodljivih posledicah pretirane uporabe energentov, ki onesnažujejo okolje in povečujejo izpuste toplogrednih plinov, in seveda o učinkoviti rabi energije. Manjša poraba energije pa se pozna pri manjših stroških vzdrževanja stavb. Pri gradnji novih energijsko učinkovitih objektov je pomembno, da že načrtovanje vsebuje elemente za energijsko učinkovitost, kar pomeni dobro izoliran ovoj stavbe od tal oziroma temeljev, zidov, oken, vrat do strešne konstrukcije ter elemente za vgradnjo energijsko učinkovitega ter do okolja prijaznega ogrevalnega, ohlajevalnega in prezračevalnega sistema. Zadnje čase govorimo o gradnji energijsko varčnih, nizkoenergijskih, ekoloških, pasivnih in podobnih hiš z majhno oziroma minimalno porabo energijo na kvadratni meter bivanjske površine. Cilj je ničelna poraba energije za ogrevanje. V to nas ne silijo le čedalje dražja energija in škodljiv vpliv nekaterih energijskih virov na okolje, ampak tudi evropska in slovenska zakonodaja [5]. Tako je že v uporabi tudi koncept aktivnih hiš, pri kateri ni poudarek le na majhni ali ničelni porabi energije za gretje prostorov in tople vode, ampak tudi energije, potrebne za delovanje hiše in naprav v njej. Slika 2.1 shematsko predstavlja izgube v hiši. Slika 2.1: Toplotne izgube hiše 3

22 2.1 Predstavitev nizkoenergijskih hiš Energijsko učinkovito grajene hiše so dobro toplotno izolirane, tako da je zunanji ovoj obdan s kakovostno toplotno izolacijo debeline od 40 do 60 centimetrov, okna pa so zastekljena s troslojnim toplotno zaščitnim steklom. To omogoča, da toplota ostane v hiši, za svež zrak pa poskrbita avtomatiziran prezračevalni sistem in rekuperacija odpadne toplote. V nadaljevanju smo predstavili različne vrste nizkoenergijskih hiš[4],[5]. Energijsko varčne hiše so zgrajene tako, da na leto porabijo od štiri do šest litrov kurilnega olja ali od 4,5 do 6,7 kubičnega metra zemeljskega plina na kvadratni meter stanovanjske površine, kar je od 45 do 60 kilovatnih ur na kvadratni meter. Bivanje v takšnih hišah je prijetno in varčno, edino pravilo je hitro in intenzivno zračenje prostorov pozimi. Nizkoenergijske hiše so grajene tako, da so v celoti zelo dobro toplotno izolirane, vgrajena imajo okna s kakovostno toplotno izolacijo in na leto za ogrevanje porabijo približno štiri litre kurilnega olja ali 4,5 kubičnega metra zemeljskega plina na kvadratni meter stanovanjske površine, kar pomeni 45 kilovatnih ur na kvadratni meter. Za nizkoenergijske hiše so potrebni ogrevalni kotli, ki med drugim dimnim plinom odvzemajo toploto, ki bi skozi dimnik šla v ozračje, in jo oddajo v toplotni hranilnik za ogrevanje bivalnih prostorov. Trilitrske hiše porabijo le tretjino energije. Že samo poimenovanje trilitrske nizkoenergijske hiše pove, da na letni ravni za ogrevanje porabi samo tri litre kurilnega olja ali manj oziroma 3,3 kubična metra zemeljskega plina na kvadratni meter stanovanjske površine, kar je 30 kilovatnih ur na kvadratni meter. Trilitrska hiša za ogrevanje prostorov potrebuje le tretjino energije, ki jo sicer porabi običajna, klasično grajena hiša. Pasivna hiša je energijsko varčna zgradba, pri kateri je primerno bivalno ugodje zagotovljeno brez običajnega ogrevalnega sistema ali klimatskih naprav. 4

23 Hiša za ogrevanje enega kvadratnega metra površine lahko porabi največ 15 kwh električne energije na leto. Potrebna toplota za ogrevanje se dovaja s pomočjo prezračevalne naprave z obvezno rekuperacijo odpadnega zraka. Ničenergijska hiša: to je zgradba, ki v letnem povprečju celotno porabljeno energijo (toplota in električna energija) pridobi iz sončne energije, vendar je hiša priključena na javno energetsko omrežje. Poleti viške električne energije oddaja v omrežje, pozimi pa manjkajočo električno energijo pridobi iz omrežja. Ničenergijska hiša ima od 40 do 60 cm debelo plast toplotne izolacije. Zgrajena mora biti brez toplotnih mostov. Hiša nima konvencionalnega ogrevalnega sistema ter aktivno in pasivno izrablja sončno energijo. Potrebe po toploti v oblačnih dneh premošča s pomočjo hranilnika toplote. Energijsko samozadostna hiša: to je hiša, ki vso potrebno energijo (ogrevanje, sanitarna voda, elektrika za gospodinjstvo in razsvetljavo) pridobi iz sončne energije. V primerjavi z ničenergijsko hišo so potrebne še večje površine s sončnimi celicami in sončnimi kolektorji. Zgradba ni priključena na javno energetsko omrežje, ampak proizvedeno električno energijo shranjujejo v posebnih akumulatorjih. Poletni presežek električne energije se shrani za zimsko obdobje. Plusenergijska hiša: to je zgradba, ki ustreza energijsko samozadostni hiši. S pomočjo sončnih celic se ustvari presežek električne energije. Presežek energije se odda v javno električno omrežje [4]. 2.2 Kriteriji za načrtovanje energijsko samozadostne hiše Za doseganje majhne porabe energije je treba vgraditi optimalno toplotno izolacijo ovoja hiše, uporabiti kakovostno zastekljena okna z aktivno in pasivno uporabo sončne energije, poskrbeti, da je poleti zgradba z dodatno vgrajeno zaščito na zunanji strani dobro zaščitena pred sončnim pregrevanjem, da ne bo treba energije porabljati za hlajenje prostorov in urediti regulacijo prezračevanja z rekuperacijo toplote [6]. 5

24 Pomembna je tudi regulacija ogrevanja v najhladnejših zimskih dnevih. Porabo energije je mogoče zmanjšati tudi z vgradnjo naprav za uporabo obnovljivih virov energije, kot so sonce, biomasa, peleti. S pomočjo sončnih kolektorjev je mogoče v sončnih dnevih ogrevati prostore tudi pri zunanji temperaturi pod ničlo, višek toplote pa odvajati v zalogovnik tople vode in jo koristiti ponoči in v oblačnih dneh, ko je manj sonca. Načrtovanje energijsko varčne gradnje ne pomeni samo povečane toplotne izolacije in tesnosti ovoja ter energijsko varčne zasteklitve, temveč zahteva bistveno drugačen pristop k toplotni tehniki stavbe - ogrevanju, prezračevanju in hlajenju. Pri tovrstni gradnji postane zaradi neobhodne tesnosti ovoja kontrolirano prezračevanje nepogrešljivo. Kontrolirano prezračevanje, poleg manjše rabe energije in zmanjšanja emisij CO2, omogoča ugodne bivalne pogoje in zmanjšuje zunanji hrup [6]. Zaradi pogojev za energijsko varčno gradnjo se toplotne izgube z nekdanjih 100 W/m² pri klasičnih zgradbah pomikajo na 40 W/m² pri NEH in pri PH pod 15 W/m² na leto. S tem se znižajo tudi potrebne moči vira toplote za ogrevanje. Zaradi manjših moči kotlovnice niso več potrebne, ampak se uporablja kompaktne vire toplote (stenski plinski in oljni kotli, toplotne črpalke in solarni sistemi). Zato dodatne energijske potrebe toplotne tehnike NEH in PH pokrivamo s sistemi, ki uporabljajo energijo iz obnovljivih virov. Sem poleg aktivnih solarnih sistemov in ogrevanja na biomaso prištevamo tudi toplotne črpalke. Faktorji, ki imajo pomemben vpliv na porabo energije v stanovanjskih zgradbah [7]: oblika stavbe (prednost imajo kompaktne oblike), konstrukcija stavbe tehnologija gradiv (uporaba toplotne akumulativnosti gradiv za absorpcijo sončnega sevanja (čez dan) ter zakasnitve nočnega ohlajanja oddajanja toplote čez noč, skupaj s kombinacijo visoke izolativnosti gradiv) orientacija (lega, ki omogoča maksimalno osončenje in minimalno izpostavitev prevladujočim vetrovom v okolici) mikroklima (postavitev stavbe in zasaditev rastlin, ki omogočajo zaklon pred soncem in vetrovi) transport (lokacije, ki bodo zmanjševale uporabo prevoznih sredstev in povečevale gostoto poselitve na prometnih vozliščih) [7]. 6

25 2.3 Energijsko število Vsaka stavba (hiša, stanovanjski blok, šola) ima svoje energijsko število. To je približno tako, kakor ima vsak človek svojo starost in telesno višino. Če veš, koliko je nekdo star in kako visok je, potem vsaj približno veš, kako zgleda. Podobno pa je tudi s stavbami. Če veš, kakšno energijsko število imajo, potem veš, ali so energijsko potratne ali varčne. Manjše energijsko število pomeni manjše energijske izgube, večje energijsko število pa večje energijske izgube [8]. Slika 2.2 kaže energijsko število v odvisnosti od transmisijskih in ventilacijskih izgub. Slika 2.2: Energijsko število v odvisnosti od transmisijskih in ventilacijskih izgub Občutek imamo, da cene goriv nenehno rastejo. Zato konec kurilne sezone dobri gospodarji ocenijo porabo energije za ogrevanje objekta. Da pa tako porabo lahko primerjamo tudi z sosedi in ocenimo kako energijsko varčen je naš objekt, moremo postaviti (po)rabljeno energijo na skupni imenovalec. To naredimo tako, da izračunamo tako imenovano energijsko število. Z njim si pomagamo pri ovrednotenju porabe energije v objektu in pri primerjavi rabe energije med različnimi objekti. Vrednost energijskega števila zgradbe se lahko uporablja za oceno potrebnih energetskih ukrepov, ki naj bi jih izvedli pri energetski sanaciji starejših zgradb. Kot glavno vodilo se uporablja energijsko število, ki pomeni specifično porabo energije na enoto površine zgradbe v določenem časovnem obdobju. Energijsko število je poenostavljeno rečeno razmerje med letno količino (po)rabljene energije in koristno oz. ogrevalno površino objekta. 7

26 Tako dobljen količnik je (po)rabljena energija na kvadratni meter ogrevane površine objekta. Glede na izračun energijskega števila je v tabeli 2.1 razvidna opredelitev kam spada ( potratna, varčna,..itd.) hiša ali objekt [9]. Tabela 2.1: Tabela za energijsko število objekta 2.4 Prezračevanje Primerno kakovost zraka dosežemo z prezračevanjem, ki je potrebno predvsem zaradi odstranjevanja škodljivih snovi in različnih vonjav. Z povečevanjem izolacije lahko zmanjšamo U - vrednost na minimum, želenih vrednosti porabljene energije za ogrevanje (30 kwh/m²) pa ne dosežemo. Šele z uporabo kontroliranega prezračevanja, dosežemo želene vrednosti glede rabe energije za ogrevanje prostorov. Kontrolirano prezračevanje ponuja še sledeče prednosti [10]: prijetno in zdravo klimo (vedno sveži zrak tudi pri zaprtih oknih), primerno zvočna izolacijo, ker se okna lahko zaprta, preprečevanje nastanka plesni, odvod vodne pare in neprijetnih vonjav iz kuhinje in sanitarij, prihranek energije pri napravah z rekuperacijo toplote. 8

27 Da zmanjšamo izgube zaradi prezračevanja je potrebno samo izrabiti toplotno energijo, ki jo vsebuje že segreti zrak v prostoru in ga moramo zaradi izrabljenosti odvajati. Z realizacijo kontroliranega prezračevanja dovajamo v prostor sveži zrak, ki ga pred vstopom v bivalni prostor segrejemo s toploto izrabljenega zraka in ga nato segretega dovajamo nazaj v prostor. Že ohlajen izrabljen zrak pa odvajamo iz objekta. V napravi pripravljen zrak se po kanalskem razvodu vodi do bivalnih prostorov (dnevna soba, spalnica) v katere vstopa skozi prezračevalne odprtine. Iz teh prostorov se zrak prosto giblje skozi hodnike do prostorov, kjer je potrebno zračenje (npr. kuhinja, sanitarije). Od tod sesalni ventilator sesa zrak skozi izstopne sesalne odprtine nazaj v napravo (toplotni prenosnik), kjer svojo toploto odda svežemu zraku. Na strani vstopnega zraka je vgrajen tudi sistem zaščite pred zmrzovanjem, na poti ohlajenega zraka pa je nameščen lovilec izločene vodne pare. Delovanje naprave oziroma ventilatorjev ureja regulacijska enota [10], [11]. 2.5 Izolacija energetsko varčne hiše Velik del toplote izgubimo skozi zidove, pode in strope, zato je pri varčevanju zelo pomembna toplotna izolacija. Naloga izolacije zunanjega ovoja hiše je v ogrevalni sezoni preprečiti uhajanje toplote iz hiše ter v poletnem času preprečiti vdor toplote v hišo. Toplotna izolacija se praviloma vgrajuje na zunanjo stran ovoja hiše. V določenih primerih, ko to ni izvedljivo, se lahko vgrajuje tudi na notranjo stran. Izolacija z notranje strani je cenejša, ima pa pomanjkljivost, da se zunanji zid ohladi. Na notranji strani zidu se pojavi vlaga zaradi kondenza. Posledica kondenza je vlažen zid in poškodbe na njem. Pri izvedbi izolacije z notranje strani moramo računsko določiti temperaturo rosišča, ter to upoštevati pri izbiri in postavitvi izolacije. Težavo pri izvedbi izolacije ovoja predstavljajo betonske plošče, preklade in balkoni, saj beton nudi manjši upor prehodu toplote kot zidaki. V kolikor betonske plošče niso toplotno izolirane, se na površinah, najpogosteje v vogalih, pojavljajo toplotni mostovi. Posledica toplotnih mostov je prekomerno uhajanje toplote in kondenzacija na površini. Pri prenovah se še vedno ne posveča dovolj pozornosti pri izvedbah izolacij hiš in se zaradi malomarnosti ali neznanja dogaja, da so kljub nameščeni izolaciji toplotne izgube večje od pričakovanih. Najpogosteje se to dogaja zaradi slabe vgradnje izolativnih materialov in s tem težava zaradi toplotnih mostov ali zaradi premajhne debeline izolacije. 9

28 Po sedanjih predpisih toplotna izolacija debeline manjše od 10 cm, katero se je najpogosteje vgrajevalo kot dodatno toplotno izolacijo, ne zadošča več za izolacijo opečnega zidu debeline 29 cm. Za izolacijo zida, zidanega z zidakom debeline 29 cm, je potrebna debelina izolacije cm. Pri gradnji s Termoblok opeko ali plinobetonom večjih debelin, je lahko debelina toplotne izolacije manjša, saj ima že sam zidak precej manjšo toplotno prehodnost kot opečnat zidak [12]. Debelina toplotne izolacije je odvisna tudi od materiala izolacije in njenih lastnosti, materiala obodne konstrukcije, lege objekta ter klimatske cone v kateri objekt leži. Po predpisih za adaptacije in novogradnje veljajo naslednje dovoljene toplotne prehodnosti [13]: zunanji zid: 0,28 W/m²K, stene k sosednjim stavbam: 0,50 W/m²K, talna plošča: 0,35 W/m²K, stena in strop vkopanih objektov: 0,30 W/m²K, strehe: 0,20 W/m²K, okna: 1,3 W/m²K dodatek za toplotne mostove: 0,05 W/m²K. 2.6 Stavbno pohištvo Za zagotavljanje ustrezne toplotne izolativnosti objekta moramo veliko pozornosti posvetiti tudi izbiri in vgradnji stavbnega pohištva. Z vgradnjo cenovno ugodnega stavbnega pohištva, katero ne dosega zahtevanih standardov toplotne prehodnosti, smo namesto, da bi pripomogli k varčnejši rabi energije, samo nespametno porabili svoj denar. Na trgu je na razpolago obilica stavbnega pohištva iz raznih materialov. Najpogosteje se vgrajuje stavbno pohištvo iz PVC-ja ter leseno stavbno pohištvo z dodatno izolacijo in zaščitnim pokrovom iz aluminija. Glede na predpise o racionalni rabi energije, je potrebno vgrajevati okna, ki imajo skupno toplotno prehodnost enako ali nižjo od 1,3 W/m²K ter vhodna vrata, katera imajo toplotno prehodnost enako ali nižjo kot 1,8 W/m²K [13]. Za pasivne hiše je ta vrednost nižja; od 0,8 W/m²K, kar dosežemo s stekli s trojno zasteklitvijo ter dodatno toplotno izolacijo okvirja. 10

29 Pomemben člen pri izolativnosti stavbnega pohištva predstavljajo tudi vgrajena stekla, saj boljšo toplotno izolativnost stekel dosežemo s polnjenjem različnih plinov v medstekelni prostor ter z dodatnim nizkoemisijskim nanosom. Za pasivne hiše se uporablja stekla s trojno zasteklitvijo, polnjenjem medstekelnega prostora z žlahtnim plinom ter nizkoemisijskim nanosom. Pri izdelavi stavbnega pohištva proizvajalci stremijo k oknom, ki so energijsko varčna, zato posvečajo večjo pozornost tehnologiji izdelave, ter materialom, uporabljenim za izdelavo. Tehnologija izdelave in materiali so v zadnjem času naredili velik korak naprej in veliko pripomorejo k izolativnosti in zrakotesnosti stavbnega pohištva. Toplotno prehodnost označujemo s črko U in ima enoto W/m²K. Toplotna prehodnost nam pove, kolikšen toplotni tok preteče pri stacionarnih pogojih v 1 sekundi skozi 1 m² površine, če je temperaturna razlika zraka na obeh straneh sklopa 1 K [14]. 2.7 Toplotni most Toplotni mostovi predstavljajo velik vpliv na izolativnost objektov. Vplivajo tudi na kakovost mikroklime v prostoru, saj je pogostoma posledica toplotnih mostov, poleg uhajanja toplote, tudi pojav kondenza in posledično plesni na izpostavljenih mestih. Toplotni mostovi se najpogosteje pojavljajo na prehodih armirano betonskih plošč v neizoliran balkon, ob stavbnem pohištvu ali v vogalih hiše. Zgraditi hišo brez toplotnih mostov je skoraj nemogoče, vendar se lahko s pravilno izvedbo gradbeno betonskih detajlov izognemo se lahko večini toplotnih mostov izognemo ali pa zmanjšamo njihov vpliv. Zato moramo že v fazi projektiranja in kasneje gradnje ali adaptacije posvetiti veliko pozornost pravilni izvedbi izolacije. Toplotne mostove ločimo glede na vzrok nastanka [10]: Geometrijski toplotni most se pojavlja v vogalih hiše. Pojavlja se zaradi geometrije vogala, saj je notranja topla površina precej manjša kot zunanja površina, kjer toplota prehaja na površje. Drugi razlog, je da je na zunanji strani površina betonske vezi precej večja kot na notranji. Te toplotne mostove lahko odpravimo s povečanjem debeline izolacije v vogalih. Kar v primeru novogradnje pomeni, da dodatno toplotno izolacijo položimo že v opaž. 11

30 Konstrukcijski toplotni most nastane najpogosteje pri balkonih, kateri prehajajo direktno iz armirano betonske plošče ali na drugih mestih v ovoju hiše zaradi prekinitve toplotne izolacije. Tak toplotni most lahko prekinemo z izolacijo balkona ali dela, ki neizoliran izstopa iz ovoja hiše. Konvekcijski toplotni most nastane najpogosteje na stikih zidne konstrukcije s stavbnim pohištvom ali na ostalih mestih v ovoju stavbe zaradi netesnosti. Tak toplotni most rešimo z vgradnjo stavbnega pohištva ter s pazljivo namestitvijo toplotne izolacije zunanjega ovoja. Pomembna je tudi izvedba parne zapore, kjer je potrebno spoje zalepiti, da preprečimo izmenjavo notranjega in zunanjega zraka. Toplotne mostove lahko preverim ob posnetku hiše z IR kamero. Slika 2.3 kaže posnetek objekta s termografsko kamero. Slika 2.3: Slika objekta s termografsko kamero prikazuje območja toplotne mostove, kjer toplota pospešeno uhaja iz objekta (rdeča barva) 12

31 2.8 Ogrevanje Pri izbiri pravilnega sistema ogrevanja je treba upoštevati učinkovitost rabe energije. Izbira pravilnega sistema ogrevanja veliko pripomore k energijsko varčnejši naravnani hiši. Pri obstoječih sistemih ogrevanja lahko že z manjšo investicijo pripomoremo k varčevanju z energijo z namestitvijo termoglav na radiatorske ventile ali s posodobitvijo regulacije ogrevanja z upoštevanjem zunanje temperature. Z boljšo regulacijo in pravilno izbiro sistema ogrevanja pa želimo prispevati tudi k manjšemu onesnaževanju okolja. V nadaljevanju bomo predstavili sisteme ogrevanja z uporabo toplotne črpalke. Ogrevalni sistemi, kot je ogrevanje z uporabo toplotne črpalke, je nizko temperaturni sistemi. Za uporabo teh sistemov za ogrevanje mora biti zgradba optimalno toplotno zaščitena. Razvodi in ogrevalna telesa pri nizko temperaturnem sistemu morajo biti večjih dimenzij kot pri klasičnem visoko temperaturnem sistemu, zato se pri adaptacijah starejših hiš pojavi težava pri prehodu na nizko temperaturno ogrevanje. Nizko temperaturni sistemi se pogosteje uporabljajo za površinsko ogrevanje (talno, stropno, stensko), konvektorsko in toplo zračno ogrevanje [15]. Slika 2.4 kaže razrez rabe energije v gospodinjstvih v Sloveniji glede na namen. Slika 2.4: Poraba energije po namenu za gospodinjstva, Slovenija 13

32 2.8.1 Ogrevanje s toplotno črpalko Ogrevanje s pomočjo toplotne črpalke spada med ogrevanje z obnovljivimi viri energije. Ogrevanje je okolju prijazno in cenovno ugodno. Toplotne črpalke absorbirajo toploto iz okolice iz različnih medijev kot so zrak, voda, kamen, zemlja in jo pretvarjajo v toploto, ki jo koristimo za ogrevanje sanitarne vode ali za ogrevanje objektov. Toplota, ki jo črpajo iz raznih medijev, je pravzaprav toplota sonca, katera se je akumulirala v toplejših mesecih. Torej tudi pri tem sistemu ogrevanja posredno izkoriščamo energijo sonca. Toplotna črpalka je sestavljena iz uparjalnika, ki absorbira energijo iz različnih medijev, kompresorja, ki poganja hladilo po sistemu in mu zviša tlak in temperaturni nivo ter kondenzatorja. V kondenzatorju hladilo odda toploto vodi, katero uporabljamo za nadaljnje ogrevanje. Za prenos toplote se uporablja hladiva, ki se uparjajo že pri nizkih temperaturah npr C. Za delovanje črpalke moramo v sistem dovesti električno energijo, ki poganja sistem. Razmerje med dovedeno električno energijo in pridobljeno toploto imenujemo grelno število. Njegova vrednost je med 2-5. To število pove, da smo npr. z 1 kwh vložene energije iz sistema dobili 2-5 kwh toplote. Višje kot je grelno število, boljši je izkoristek sistema. Toplotne črpalke ločimo glede na medij iz katerega črpajo energijo ter glede na izvedbo. Po izvedbi ločimo kompaktne toplotne črpalke in črpalke v ločeni izvedbi. Pri ločeni izvedbi so posamezni deli toplotne črpalke nameščeni na različni lokaciji. Največkrat je uparjalnik nameščen blizu viru toplote, medtem, ko sta kondenzator in hranilnik toplote nameščena v kotlovnici. Najpogosteje uporabljena toplotna črpalka je zrak/voda [16] Ogrevanje sanitarne vode s toplotno črpalko Toplotne črpalke za ogrevanje sanitarne vode so precej razširjene. Najpogosteje uporabljamo toplotne črpalke zrak/voda. Manjše črpalke so dobavljive v kompaktni izvedbi. Toplotno črpalko postavimo v prostor, kjer je temperatura med 7-35 C. V praksi črpalko postavimo v prostore kot so shramba, klet ali garaža. V poletnih mesecih toplotna črpalka služi za ogrevanje sanitarne vode in za hlajenje prostora kje je locirana. S toplotno črpalko sanitarno vodo segrevamo do 60 C. Kot pri ogrevalnem sistemu s sončnimi kolektorji je tudi pri toplotnih črpalkah velikost hranilnika odvisna od števila družinskih članov in njihovih navad. 14

33 Za ogrevanje sanitarne vode lahko, v kombinaciji z ogrevanjem objekta, uporabljamo tudi ostale toplotne črpalke večjih moči, katere črpajo toploto iz vode ali zemlje [15]. Pri ogrevanju objekta se uporabljajo toplotne črpalke večjih moči, katere izkoriščajo energijo shranjeno v zraku, podtalni vodi, zemlji ali kameninah. Moč toplotne črpalke moramo prilagoditi potrebam objekta. Sistemi za ogrevanje hiše s toplotnimi črpalkami so nizkotemperaturni sistemi. Za uporabo ogrevalnega sistema samo s toplotno črpalko mora biti stavba primerno toplotno izolirana. S toplotno črpalko s katero ogrevamo hišo lahko ogrevamo tudi sanitarno vodo. V primeru nezadostne energije izkoriščanega vira se toplotne črpalke za ogrevanje hiše uporablja tudi v kombinaciji z ostalimi sistemi ogrevanja. Področje delovanja toplotnih črpalk se vedno bolj "širi" saj se na trgu pojavlja vse več toplotnih črpalk, katere obratujejo tudi pri zunanjih temperaturah do - 20 C. Če so temperature nižje, koristimo električno dogrevanje ogrevne vode. Večji vnos dodatne energije v sistem zmanjša izkoristek toplotne črpalke, saj se razmerje med dovedeno in pridobljeno energijo zmanjšuje. Temperatura ogrevane vode se giblje od 45 do 60 C [16]. Toplotne moči črpalk so različne, glede na namen in uporabo. Moči toplotnih črpalk zrak/voda se gibljejo med 0,6 in 6 kw pogonske moči, kar predstavlja nekje med 2-12 kw uporabne toplotne moči. Toplotna črpalka zrak/voda za delovanje z močjo 1 kw potrebuje okrog m³/h zraka, kar zavisi tudi od temperature zraka, saj se ob nizkih temperaturah izkoristek črpalke zmanjša. Črpalke so opremljene z ventilatorjem, ki pripomore k intenzivnejšemu odvzemu toplote iz zunanjega medija. Slabost tega pa je šumnost naprave. Lahko so kompaktne izvedbe z vgrajenim bojlerjem ali ločeno od hranilnika toplote. Za pripravo tople vode so namenjene manjše enote, njihova uporaba pa je še posebej učinkovita v primerih, ko je potrebno določene prostore hladiti, tam imamo dvojni učinek, gretje sanitarne vode in hlajenje prostora [15]. Z uporabo toplotnih črpalk lahko v celoti pokrijemo potrebe po pripravi tople vode. Potrebna je ustrezna regulacija sistema in dobra toplotna izolativnost hiše. Slabost sistema je nekoliko višja začetna investicija in odvisnost delovanja od električne energije. Na sliki 2.5 je prikazana sistem za ogrevanje stavbe in sanitarne vode s toplotno črpalko zrak/voda. Slika 2.5: Ogrevanje stavbe in sanitarne vode s toplotno črpalko zrak/voda 15

34 3 TOPLOTNA ČRPALKA 3.1 Delovanje toplotne črpalke Vsakdo je že opazil, da se izza hladilnika dviga topel zrak. Gotovo ste kdaj pomislili, da bi na tak način lahko ogrevali vodo? To je možno narediti in sicer s toplotno črpalko, ki deluje na enakem principu kot hladilnik. Pri hladilniku se ohlaja notranjost, toplota odvzeta živilom pa prehaja v okolico. S pomočjo toplotne črpalke pa toploto odvezeto iz okolici koristno uporabimo za ogrevanje prostorov ali sanitarne vode, samostojno ali v kombinaciji z ostalimi sistemi. Pridobljena toplota je rezultat termodinamičnega procesa in ne zgorevanja goriva kot pri klasičnih ogrevalnih sistemih [17]. Toplotna črpalka je sestavljena iz uparjalnika, ki odvzema toploto okolice (vode, zraka, zemlje), v njem se pri nizki temperaturi uplini delovna snov (hladivo), ki nato potuje v kompresor. Ta pare stisne in jih dvigne na višji tlačni in temperaturni nivo. Vroče pare v kondenzatorju kondenzirajo pri višji temperaturi in pri tem oddajo kondenzacijsko toploto ogrevanemu mediju. Delovna snov nato potuje preko ekspanzijskega ventila, kjer se ji zniža tlak, nazaj v uparjalnik in proces se ponovi. Vsa toplota pridobljena iz okolice je brezplačna. Da jo iz nizko temperaturnega nivoja dvignemo na visokotemperaturni nivo, je potrebno vložiti nekaj dela. Tako je za delovanje toplotne črpalke potrebna električna energija za pogon agregata, ki ga sestavljata kompresor in ventilator. Razmerje med vloženo (električno) energijo in iz okolice pridobljeno toploto je običajno 1/3 in pri najnovejših črpalkah pa celo 1/5. Kateri vir toplote izbrati - vodo, zemljo ali zrak? Tistega, ki je na voljo in ima hkrati najvišjo povprečno letno temperaturo. Gledano iz energetskega stališča je to seveda najprej podtalnica, če je na voljo v zadostni količini in kvaliteti, saj je njena povprečna letna temperatura okoli +10 C. S takšnimi sistemi dosegamo grelna števila preko 5 - največji prihranek. Če ni podtalnice, in je na voljo dovolj velika prosta površina zemlje, potem lahko izberemo ta vir s polaganjem horizontalnega zemeljskega kolektorja ali vertikalne sonde. Tu dosegamo grelna števila okrog 4. Če ni na voljo nič od prej navedenega, kot vir toplote še vedno lahko uporabimo zrak, ki je na voljo v neomejenih količinah. Način delovanja TČ zavisi od ogrevalnega sistema. Toplotna črpalka lahko zagotovi temperaturo predtoka v odvisnosti od zunanje temperature 16

35 Če je potrebna temperatura višja, jo moramo zagotoviti z drugim virom toplote. Temperatura dvižnega voda - predtoka je odvisna od naslednjih parametrov [17]: zunanje temperature, strmine ogrevalne krivulje, nastavljene sobne temperature, maksimalne. in minimalne omejitve temperature, vpliva drugih grelnih teles (npr. kamina). Vhodna temperatura delovnega medija se za vsak ogrevalni krog nastavlja: navzgor z nastavljeno maksimalno temperaturo ter navzdol z minimalno nastavljeno temperaturo. Temperaturni režimi ogrevanja in hlajenja so prikazani na sliki 3.1. Slika 3.1: Ogrevanje in hlajenje s TČ - temperaturni režimi Split izvedbe toplotnih črpalk Dvodelne črpalke združujejo prednosti zunanje in notranje postavitve. Ne potrebujemo zračnih kanalov, notranja in zunanja enota sta povezani s cevmi, po kateri kroži hladivo. Pri reverzibilnih TČ zunanjo in notranjo enoto izmenično uporabljamo kot uparjalnik in kondenzator, kar omogoča hlajenje poleti. 17

36 Vgraditi je potrebno zbirne posode, ki odvajajo kondenzat v odtok, Pri zunanji enoti mora biti odvod kondenzata ogrevan, da ne prihaja do zmrzovanja. V primeru hlajenja, moramo pri notranji enoti prav tako odvajati kondenzat. Na sliki 3.2 je prikazan način vgradnje split izvedbe toplotne črpalke zrak/voda. Pri tem je potrebno upoštevati dolžino sesalne cevi in cevi za tekočo fazo ( skupna dolžina maksimalno 20 m), odmike od zidu, globino polaganja in način prehoda skozi zid - steno [19]. Slika 3.2: Split izvedba toplotne črpalke zrak voda (direktna povezava uparjalnik TČ) 3.2 Testne metode in prednosti uporabe toplotne črpalke Testne metode za toplotne črpalke so določene v EU standardu V skladu s standardom EN se vrednost COP določa kot delež grelne moči glede na celotno dovedeno električno moč naprave in deleže moči za prenos toplote znotraj naprave (električna moč za pogon kompresorja, moč za odmrznitev uparjalnika, regulacijske naprave, črpalke, ventilatorje). Standard EN ne določa minimalnega kriterija učinkovitosti toplotnih črpalk, temveč samo opredeljuje standardne pogoje za testiranje (temperatura vira in ponora toplote) za različne tipe toplotnih črpalk (zrak/voda, zemlja/voda, voda/voda itd). 18

37 Primerjavo je možno izvesti na podlagi skladnih testnih pogojev ter uporabe standardiziranih virov in ponorov toplote, pri čemer je potrebno upoštevati, da je novi standard EN ob zamenjavi standarda EN 255 prinesel tudi spremembe pri določenih testnih pogojih. Iz tega razloga je primerjava naprav testirana po stari metodologiji (EN 255) z napravami, ki so testirane po novi metodologiji (EN 14511), zahtevna [19]. V nadaljevanju smo predstavili katere so vse prednosti uporabe toplotne črpalke. Te so sledeče [18]: Nakup toplotne črpalke je priporočen in delno subvencioniran s strani države, Toplotna črpalka deluje brez nevarnih goriv, Toplotna črpalka drastično zniža stroške ogrevanja (od 35% do 60%), Toplotna črpalka zmanjša emisije CO2 od 31% do 59%, Toplotna črpalka uporablja električno energijo, ki je stabilnejša tako po ceni kot po zalogi kakor fosilna goriva, Toplotna črpalka ne emitira ozračju škodljivih plinov, Toplotna črpalka ne potrebuje dodatnega prostora za zalogo goriva ali plinskega priključka, Toplotna črpalka se amortizira v nekaj letih, Toplotna črpalka uporablja obnovljive vire toplote (toploto zemlje ali okoliškega zraka), Toplotna črpalka deluje zelo tiho, Toplotna črpalka se lahko postavi izven hiše, Toplotna črpalka zasede malo prostora, Toplotna črpalka ne potrebuje skoraj nobenega vzdrževanja, Toplotna črpalka omogoča poleti hlajenje hiše, Toplotna črpalka je enostavna za upravljanje in uporabo. 3.3 Letno grelno število Učinkovitost toplotne črpalke preko celega leta označujemo z letnim grelnim številom (SPF - Seasonal Performance Factor). Izračunamo ga iz razmerja med toploto, ki jo dovedemo grelnemu mediju in celotno porabljeno električno energijo preko cele sezone. Poleg porabe električne energije za pogon kompresorja moramo upoštevati še porabo električne energije pomožnih komponent sistema (črpalke, odmrznitev uparjalnika, regulacija itd). Na letno grelno število TČ vplivajo naslednji faktorji [19]: 19

38 potrebe po toploti in hlajenje glede na lokacijo objekta, temperatura vira toplote in temperature predtoka ogrevne vode, ali je optimalno določena obratovalna karakteristika TČ glede na potrebe po toploti, dodatna poraba električne energije pomožnih komponent sistema, sistem regulacije TČ in ogrevalnega sistema, pravilno dimenzioniran hranilnik toplote. Predpogoj, da lahko dosežemo zadovoljiva letna grelna števila je, da izberemo učinkovito TČ (primeren COP) že pri nazivnih parametrih. Delež električne energije za pogon pomožnih naprav lahko znaša približno 10% pri kvalitetnih TČ in do 15% pri manj kvalitetnih. Ogrevalni sistem pri novogradnji je potrebno načrtovati tako, da je temperatura dovoda ogrevalnega medija (predtoka) čim nižja (najbolje 35 C). Temperature dovoda naj bodo nižje od 55 C, kar omogoča vgradnjo običajnih izvedb toplotnih črpalk [19]. 3.4 Princip delovanja toplotne črpalke v log p - h diagramu Princip delovanja toplotne črpalke je prikazan v log p - h diagramu. Z njim lahko določimo pregretje, podhladitev in izstopno temperaturo iz kompresorja. Posamezne faze procesa v toplotni črpalki vrišemo v diagram, kar je prikazano na sliki 3.3[19]. Vsako hladivo ima svoj diagram. Slika 3.3: Proces toplotne črpalke v log p - h diagramu 20

39 Termodinamičen krožni proces v kompresorskih toplotnih črpalkah delimo na štiri faze: 1. UPARJANJE: Hladivo uparjamo pri nizkem tlaku in temperaturi, z dovodom energije vira toplote. 2. KOMPRESIJA: Paro hladiva komprimiramo na višji tlak z uporabo mehanskega kompresorja in s tem povečamo tlak in temperaturo pare hladiva. 3. KONDENZACIJA: Pare hladiva pri visokem tlaku ohladimo in kondenziramo, z odvodom toplote iz kondenzatorja. 4. EKSPANZIJA: Hladivo v kapljevinastem stanju ekspandira iz visokega na nizek tlak. S tem dosežemo padec temperature. Krožno proces je zaključen. Za preračun procesa so potrebne naslednje entalpijske razlike: 1. h2 - h1: specifična energija potrebna za pogon kompresorja (kj/kg) 2. h2 - h3: specifična toplota, potrebna za kondenzacijo (kj/kg) 3. h1 - h4: specifična toplota, potrebna za uparjanje (kj/kg) Iz entalpijskih razlik, ki jih odčitamo iz diagrama, lahko izračunamo grelno število (COP) procesa v toplotni črpalki, po enačbi (3.1), kjer pa moramo upoštevati odnose med moči in specifičnimi energijami Pri tem so: Q h h h h tč mt e( COP) P h h mt h h Qtč - grelna moč toplotne črpalke (kw), tč Ptč - pogonska moč TČ - dovedena električna moč (kw), m masa snovi (kg), t čas (s), COP - grelna moč/električna moč = (h2 - h3) / h2 - h1). (3.1) Grelno moč toplotne črpalke lahko enostavno določimo z merjenjem električne moči na kompresorju: Qtč = Ptč COP. 21

40 3.5 Učinkovitost toplotne črpalke zrak/voda Ker smo v našem primeru zagotavljanja energijske samozadostnosti izbrali TČ zrak/voda jo bomo v nadaljevanju podrobneje predstavili. S toplotno črpalko zrak/voda se toplota odvzeta iz okolja uporablja za cenovno izredno ekonomično ogrevanje, ogrevanje vode in hlajenje hiše. Sončni žarki nenehno ogrevajo zrak. To energijo, nizkih temperatur odvzame toplotna črpalka, ter ji zvišuje temperaturo, da bi jo tako lahko uporabila za potrebe v gospodinjstvu. Ena od najpogostejših vprašanj je, kako lahko zraku predvsem hladnemu zraku odvzamemo toliko energije, da zadostuje za ogrevanja zgradbe ali za ogrevanje vode. Princip delovanja prikazan na sliki 3.4 lahko primerjamo s principom delovanja hladilnika, kot smo omenili že na začetku poglavja. Hladilnik črpa iz notranjosti toploto in jo oddaja v okolje. Zaradi tega se hladilnik na hrbtni strani segreje. Toplotne črpalke delujejo po enakem principu. Hladilna tekočina, ki kroži v sistemu črpa toploto iz okolja in pri tem izpareva. To paro vsesava kompresor, ji dvigne tlak in s tem tudi temperaturo. Po kondenzatorju se toplota pare odda ogrevalni napravi, para pa kondenzira. Kapljevini na ekspanzijskem ventilu zmanjšamo tlak. Pri tem se razširi in upari, toploto potrebno za uparjanje pa pobere iz okolice okoliškega zraka, ki se zaradi tega ohladi. Proces se ponavlja, za njegovo delovanje pa moramo kompresorju dovajati mehansko delo, običajno v obliki električne energije. Pri toplotnih črpalkah zrak/voda so stroški investicije nizki v primerjavi z drugimi sistemi toplotnih črpalk. Še nekaj prednosti izbrane toplotne črpalke zrak-voda je navedenih v nadaljevanju [19], [20]: Zelo fleksibilen inštalacijski sistem; je idealen za vgradnjo v individualne in vrstne hiše, v večje stavbe, tako novogradnje kot pri sanaciji starih stavb. Stroški inštalacije so nizki, ker se kot glavni vir toplote uporablja okoliški 'zrak'. Tehnologija inverterja omogoča brezstopenjsko prilagoditev oddajanja moči trenutnim potrebam. Na ta način se proizvaja le toliko toplote kot se je dejansko potrebuje. Inštalacija je enostavna, ker ni posebnih zahtev glede kraja inštalacije, tako zunanjih kot notranjih naprav. Praviloma niso potrebna zemeljska dela ali izgradnja dimnikov. Odpade tudi ureditev skladiščnih prostorov za goriva ali rezervoarjev. 22

41 Zaradi split sistema gradnje se lahko izognemo polaganju vodovodnih napeljav na prostem, kar zagotavlja popolno varnost pred zmrzovanjem celotnega sistema. Kombinacija s solarnim sistemom in fotovoltaiko. Slika 3.4: Shematski prikaz delovanja toplotne črpalke Med delovanjem toplotne črpalke se lahko pod določenimi pogoji (temperatura, vlaga) zaradi znižanja temperature zraka, ki mu odvajamo toploto, tvori kondenzat, ki lahko privede do tvorjenja ledu na zunanji enoti in tako povzroči slabše delovanje naprave. Za odtajevanje nastalega ledu, toplotne črpalke redno vklapljajo odtajevalni proces in s tem začasno prekinejo ogrevanje prostora. To se zgodi, ker naprava med odtajevanjem preklopi iz načina ogrevanja na način hlajenja, da lahko toploto iz izmenjevalca prenese na zunanjo enoto in posledično odtali led. Novejše toplotne črpalke imajo vgrajeno posebno zaščitno napeljavo, ki preprečuje nabiranje ledu in ima krajše in manj pogoste cikle odtaljevanja, kar pomeni, da je manj težav že od začetka. Hladilno sredstvo, ki se vrača iz notranje enote, se še pred vstopom v venturijevo cev preusmeri v zanko (napeljava, ki preprečuje nabiranje ledu) in se nato preko venturijeve cevi preusmeri v izmenjevalec toplote. Ker se hladilno sredstvo upari šele ko zapusti venturijevo cev, ostane temperatura napeljave, ki preprečuje nabiranje ledu nad lediščem in tako ostane spodnje področje lamel zunanje enote toplotne črpalke brez ledu [21]. 23

42 4 FOTOVOLTAIKA 4.1 Osnovni princip delovanja sončne elektrarne Koncept fotovoltaike (PV) je preprost postopek direktne pretvorbo energije sončnega sevanja v električno energijo, ki omogoča napajanje porabniških naprav in sistemov. Fotovoltaika (PV) lahko zagotovi svetu čist, zanesljiv vir električne energije in hkrati zmanjša našo odvisnost od fosilnih goriv. Koncept fotovoltaike je prikazan na sliki 4.1. Fotovoltaična tehnologija 21. stoletja nam to omogoča. Pomembno je omeniti, da se fotovoltaika razlikuje od solarnih zbiralnikov toplote, ki omogočajo ogrevanje ali proizvodnjo vroče vode. Ena fotovoltaična celica je sestavljena iz dveh ali več tankih plasti pol prevodnega materiala, najpogosteje kristalnega silicija. Ko je silicij izpostavljen svetlobi določene valovne dolžine, ti ob določenih pogojih izbijejo elektrone in ustvarjajo vrzeli v polprevodni snovi. Na te način nastane elektrina, ki nato potuje preko kovinskih stikov kot enosmerni tok (DC). Za hitro in učinkovito zbiranje in pretvorbo energije, so posamzne sončne celice med seboj povezane v modul. Ti moduli so gradniki fotovoltaičnih sistemov in so med seboj povezani tako, da proizvajajo potrebno količino električne energije. Enosmerno napetost in tok na izhodu sončnih modulov z razsmerniki (iverterji) pretvorimo v izmenično napetost in tok, ki ju najdemo v električnih omrežjih [22]. Slika 4.1: Koncept fotovoltaike Poglavitni vrsti fotovoltaične tehnologije sta kristalna in tanko plastna. Kristalno pa lahko razdelimo še na dve vrsti: 24

43 Monokristalne celice so narejene z uporabo odrezka celic enega silicijevega kristala valjaste oblike. Monokristalne celice ponujajo najvišjo učinkovitost (približno 18% pretvorba vpadne sončne svetlobe), vendar pa, zapleten procesa njihove proizvodnje nekoliko podraži njihovo prodajno ceno. Polikristalne celice so pridobljene z rezanjem mikro finih ploskev iz mešanice topljenega in rekristaliziranega silicija. Polikristalne celice so cenejše za proizvodnjo, vendar pa je tudi njihova učinkovitost temu primerno nižja (približno 14% pretvorba vpadne sončne svetlobe). Tanek PV film naredijo s polaganjem ultra tankih plasti fotovoltaičnega materiala na podlago. Najpogostejša vrsta tankoslojnega fotovoltaika je izdelana iz a-si (Amorfni silicij), vendar pa lahko uporabljamo tudi številne druge materiale, kot so CIGS (baker indija / galijevega diselenida), CIS (bakrov indij selenid), CdTe (Kadmijev Telur), barvno-občutljive celice in organske sončne celice. PV tehnologija je bila prvič uporabljena za zagotavljanje električne energije satelitom. Danes lahko fotovoltaične sisteme uporabljamo za napajanje skoraj vseh električnih porabnikov. Fotovoltaični sistemi delujejo v dveh osnovnih načinih [22]: Mrežno povezani fotovoltaični sistemi - Ti sistemi so priključeni na široko električno omrežje. Podnevi je sončno energijo, ki jo sistem ustvari moč takoj uporabiti ali pa prodati družbi za dobavo električne energije. V večernih urah, ko sistem ne more zagotoviti takojšnje energije, lahko električne energije odkupimo od omrežja. Ne-mrežni fotovoltaični sistemi - Ti sistemi niso povezani na električno omrežje. Uporabljajo v izoliranih lokalnih električnih omrežjih. Primerni so za dobavo energije postajam radijskih razpečevalcev transformatorjem, telefonskim govorilnicam in ulični razsvetljavi. Prav tako raste zanimanje za mobilno fotovoltaiko, na navtičnem trgu in trgu potovalnih prikolic in avtodomov. Ne-mrežni (imenovan tudi»samostojni«) fotovoltaični sistem lahko tudi lokalno zagotavlja neprecenljivo in dostopno električno energijo državam v razvoju, kjer so konvencionalna električna omrežja nezanesljiva ali neobstoječa. 25

44 4.2 Sončne celice Sončne celice so dovršene tehnološke naprave, ki energijo sončnega sevanja direktno pretvarjajo v električno energijo. Za svoje učinkovito delovanje potrebujejo le dovolj veliko gostoto svetlobnega toka. Izkoristek sončne celice definiramo kot razmerje med energijo upadenih fotonov, ki se absorbirajo na površini sončne celice ter energijo vseh vpadnih fotonov [23] Sestava sončne celice V grobem ločimo tri vrste sončnih celic: monokristalne, polikristalne in amorfne sončne celice, ki jih kaže slika 4.2. Amorfne sončne celice imajo najslabši izkoristek, ta se giblje od 6 do 8 %. Poleg slabega izkoristka imajo še eno slabost in ta je, da se hitreje starajo. Že po nekaj mesecih izkoristek začne padati. Ni pa nujno, da so vedno slabše kot drugi dve možnosti, saj so manj občutljive na gostoto moči sončnega sevanja in delujejo tudi v slabših vremenskih pogojih. Najlažje jih je izdelati, zato je tudi cena ugodna. To sta dve ključni lastnosti, zaradi katerih bodo mogoče v prihodnosti perspektiven material. Monokristalne sončne celice so bile najprej v množični proizvednji, kar je razlog, da so danes najbolj razširjene. Proizvajamo jih iz monokristalov silicija. Zaradi montaže pod plast kaljenega stekla v aluminijastih okvirjih so odporne na najtežje vremenske pogoje, kar vključuje tudi točo. Izkoristki monokristalnih sončnih celic so med 15-18%, kar je največ od omenjenih tipov. Zaradi najvišjega izkoristka so tudi najdražje. Izkoristki polikristalnih sončnih celic pa so od 12-14%. Najboljše sončne celice iz kristalnega silicija imajo izkoristek okoli 24 %. Izkoristki komercialnih celic pa iz leta v leto naraščajo na račun optimizacij struktur in novih tehnologij. V zgradbi sočnih celic je največja razlika pri kristalnih ravninah. Monokristalne celice so najbližje idealnemu kristalu, ker nimajo kristalnih mej. Polikristalne, še bolj pa amorfne sončne celice odstopajo od ideala. Sestavljena so iz velikega števila kristalnih zrn, ki so med seboj ločena s kristalnimi mejami. Pri monokristalnih celicah se sončni žarki manj razsujejo na gladki površini, kar je razlog za višji izkoristek [23]. 26

45 Slika 4.2: Različne tehnologije sončnih celic Za boljšo predstavo si najprej poglejmo sestavo sončne celice. V splošnem jo razdelimo v šest slojev. Na vrhu je steklena plošča, ki ostale plasti varuje pred mehanskimi vplivi kot so dež, veter, toča in podobno. Sledi antirefleksijska plast. Z njo dosežemo zmanjšan odboj svetlobe, zato se več fotonov absorbira in poveča se izkoristek. Ko fotoni padejo na sončno celico, obstajajo tri možnosti, kaj se bo z njimi zgodilo, odvisno od valovne dolžine svetlobe in s tem energije fotona. Večja kot je valovna dolžina svetlobe, manjša je energija fotona. Če je energija prevelika, bo foton predrl vse plasti in od njega ne bomo imeli nobene koristi. Če je energija premajhna se lahko foton odbije od površine, spet nobene koristi. Pretvorbo svetlobne v električno energijo dobimo samo v primeru, ko je energija fotona ravno pravšnja, da foton pride do stika n in p-tipa polprevodnika. Tretja plast je kontaktna mreža. Narejena je iz dobrega prevodnika. Njena vloga je, da zbira elektrone, nato sledita p in n-tip polprevodnika, ki ju bomo opisali v nadaljevanju. Na dnu je še zadnja plast, ki je narejena iz kovine in služi kot prevodnik električnega toka [23], [24]. Slika 4.3: Polprevodniška sončna celica 27

46 4.3 Delovanje sončne celice Za razumevanje delovanja sončne celice nujno potrebujemo predznanje o polprevodnikih. Pri sobni temperaturi imajo polprevodniki le malo prosto se gibajočih valenčnih elektronov, zato je njihova prevodnost približno 105-krat manjša kot pri kovinah. Germanij in silicij sta tipična predstavnika polprevodnikov in se veliko uporabljata v elektroniki. Povezana sta z dvojnimi vezmi, ki povezujejo štirivalentne atome. Če dvojne vezi pretrgamo, se prevodnost elementu bistveno poveča. Število prevodnih elektronov povečamo z dopiranjem. To je postopek, pri katerem polprevodniškem elementu dodamo atome drugih elementov, ki imajo pet ali tri valenčne elektrone. Če germanij dopiramo z arzenom, dodamo na en milijonti atom germanija en atom arzena, razmerje je 1:106. Ti dodani atomi se vrastejo v kristalno mrežo polprevodnika. Arzen je petvalenten in ima en valečni elektron več, zato mu pravimo donor. Če bi dodani atom, recimo indij, imel en valenčni elekton premalo, bi mu rekli akceptor. Akceptorji ustvarijo vrzel, tako da germaniju izmaknejo elektron. Nosilci električnega toka so lahko bodisi elektroni bodisi vrzeli. V polprevodniku dopiranem z donorjem, so nosilci naboja elektroni, v polprevodniku dopiranem z akceptorjem pa so nosilci naboja vrzeli. Elektroni se lahko nahajajo v valenčnem ali v prevodnem pasu. Vmes je prepovedani pas, v katerem se elektroni ne smejo nahajati. Z dopiranjem ustvarimo med valenčnim in prevodnim pasom nove energijske nivoje. Silicij lahko dopiramo z borovimi atomi, ki so akceptorji. Zato, ker želijo borovi atomi izmakniti valenčni elektron siliciju, se ustvari prazen energijski pas malo nad valenčnim pasom. Elektrone brez težav termično vzpodbudimo, zato zapustijo valenčni pas in pustijo v njem prazen prostor. Ti prazni prostori se v povprečju obnašajo kot pozitivni naboji. Temu pravimo p-tip polprevodnika. Silicij dopiramo z arzenom, ki ima en valenčni elektron več kot silicij. Za vezavo s silicijem so potrebni samo štirje elektroni, zato je peti valenčni elektron prost za prevajanje. Temu pravimo n-tip polprevodnika. Polprevodniške diode so tipičen primer polprevodniškega elementa z enim spojem. Če zgoraj omenjeni p in n- tip polprevodnika združimo v enem kristalu, dobimo p-n spoj. Iz območja p prodre nekaj vrzeli v območje n in ujame bližnje elektrone. V n območju imamo obratno situacijo. Iz območja n gre nekaj elektronov v območje p in tam ujame vrzeli. Na tanki plasti območja p nastane primanjkljaj vrzeli, v n področju pa primanjkljaj elektronov. 28

47 Vrzeli prodrejo iz območja p v območje n in elektroni iz območja n v območje p. Proces se odvija na mikrometer debeli plasti p in n sloja, ki mu pravimo zaporna plast. To je vir enosmerne napetosti med obema območjema z negativnim p in s pozitivnim n priključkom. Z voltmetrom lahko to enosmerno napetost izmerimo. Svetlobo je sestavljena iz fotonov. Fotoni padajo na površino sončne celice in kot smo že omenili, samo absorbirani foton generira električno energijo. Energija fotona se prenese na elektron, ki je v atomu celice. Zaradi dodatne energije, gre elektron v prevodni pas in tam postane nosilec toka v električnem tokokrogu. Fotonov in posledično zato elektronov je veliko, zato na ta način dobimo šibek električni tok in s tem pridobivamo električno energijo s sončnimi celicami. Spoj p-n pa lahko tudi nadgradimo. Poznamo dva tipa tranzistorjev s n-p-n in p-n-p spojem [23],[24]. Učinkovitost sončne celice nam določa energija fotona v povezavi z energijsko špranjo polprevodnika. Fotoni v ultravijolični svetlobi imajo večjo energijo od energijske špranje, zato se samo del potencialne energije, ki jo foton preda elektronu, pretvori v električno energijo. Ostala energija se spremeni v toploto. Fotoni v infrardečem spektru imajo energijo malo večjo od energijske špranje, zato se večina energije pretvori v električno energijo. Fotoni v infrardečem spektru z večjo valovno dolžino imajo energijo manjšo od energijske špranje, zato elektronom predajo premalo energije, da bi lahko skočili v prevodni pas. S tem nič ne prispevajo k proizvodnji električnega toka [25]. 4.4 Karakteristika sončne celice Polprevodniška dioda je elektronski element z dvema priključkoma, ki za delovanje potrebuje zunanjo napetost. Dioda začne prevajati električni tok, ko presežemo zaporno napetost. Za silicij je to približno 0,65 V, za germanij 0,2 V. Pri sončnih celicah pa nimamo zunanje napetosti, ampak samo zaporno napetost. Samo ime»zaporna«napetost nam pove, da želi pognati tok v nasprotno smer, kar vidimo na sliki 4.4, saj so krivulje narisane pod abscisno osjo. Podobno, kot pri drugih napravah, želimo tudi pri sončnih celicah največji možni izkoristek. Izkoristek je največji pri maksimalni moči (P), ki je produkt napetosti (U) v p-n stiku in toka (I), ki teče skozi p-n stik: P=U I. Ko se v p-n stiku absorbira foton in izbije elektron, zaporna napetost požene tok skozi porabnik z upornostjo R. Ker tok poganja zaporna napetost, teče v negativni smeri. Moč je produkt napetosti in toka, zato nas ta točka ne zanima. 29

48 Pri maksimalni napetosti, ki ji pravimo gonilna napetost, je tok enak nič, kar spet ni dobro, namreč moč je enaka nič [25]. Najbolj energijsko je zanimiva točka, v kateri zmnožek toka in napetosti predstavlja največjo vrednost, tu je moč največja. Z večanjem temperature v okolici sončne celice izkoristek pada. Pomemben je tudi kot, pod katerimi padajo sončni žarki na površino sončne celice. Ta je najbolj pomemben pri jasnem vremenu. V oblačnem vremenu, ko je svetloba difuzna, kar pomeni, da prihaja iz različnih smeri, nagnjenost sončne celice ni tako zelo pomembna. Izkoristek je največji, ko sončni žarku padajo pravokotno na površino sončne celice. V primeru, da imamo sončno celico vgrajeno fiksno, brez možnosti sledenja soncu, je pomembno, da je glede na tirnico sonca primerno postavljena. Svetlobni tok je največji od 11 do 13 ure [23] Slika 4.4: I-U karakteristika sončne celice, PV modula ali PV polja 4.5 Otočne sončne elektrarne Otočne sončne elektrarne proizvajajo elektriko za lastni odjem. Situacija na trgu sončnih elektrarn, se je v zadnjem času spremenila. Subvencije za elektriko iz sončnih elektrarn so nižje, zato so investicije manj privlačne. Zaradi padca cen sončnih celic in inovativnih hibridnih razsmernikov, pa postajajo čedalje bolj zanimive otočne sončne elektrarne, ki proizvajajo elektriko iz sončnih celic za lastne potrebe. Ob napovedanih podražitvah elektrike ter nizkih bančnih obrestih za vezane depozite, se kaže naložba v lastni vir elektrike zelo upravičena. Otočne sončne elektrarne so namenjene tistim, ki želijo biti energetsko neodvisni ali pa je njihova oskrba z elektriko iz omrežja nestabilna. 30

49 Otočne sončne elektrarne so samostojni solarni sistemi, ki pa so lahko tudi povezani z omrežjem ali električnim generatorjem, kot sekundarnim virom elektrike. V takih primerih rabimo hibridni razsmernik, ki je bistven sestavni del solarnega sistema, kateri omogoča avtomatski preklop na/iz javnega omrežja ter polnjenje akumulatorjev. Možne so kombinacije PV sistema z agregatom ali malimi hidro-elektrarnami [26]. V našem primeru ne bomo uporabili nobenega drugega vira električne energije. Pri otočnih sistemih je najbolj pomemben režim obratovanja in moč posameznih porabnikov. Velikost generatorja, moč razsmernika in število akumulatorjev se prilagodi zahtevam porabnikov, ki se bodo iz takega sistema napajali [27]. Otočni sistem, predstavljen na sliki 4.5, sestavljajo naslednje komponente: fotovoltaični moduli, pod konstrukcija (nosilci modulov), regulator polnjenja, DA/AC pretvornik (razsmernik), akumulator. Slika 4.5: Predstavitev otočnega sistema Foto napetostni moduli čez dan, preko regulatorja polnjenja, polnijo akumulatorje, ki shranjujejo električno energijo. DC/AC pretvornik razsmeri shranjeno električno energijo in jo prilagodi porabnikom (230 V). Celoten sistem (napolnjenost akumulatorjev, stanje razsmernika, polnjenje...) lahko spremljamo na osebnem računalniku [27]. 31

50 5 TRANSMISIJSKI IZRAČUN STANOVANJSKE HIŠE Transmisijski izračun je izdelan skladno s Pravilnikom o učinkoviti rabi energije v stavbah. Trajanje ogrevalne sezone je 231 dni, notranja projektna temperatura je 20 C [10]. Zunanja računska temperatura je 13 C. V izračunu je upoštevana tudi predvidena izmenjava zraka zaradi naravnega in prisilnega prezračevanja in znaša n = 0,50 h1[28]. Za področje učinkovite rabe energije (URE) v stavbah je od leta 2010 v veljavi Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah, PURES-2. Uporabljamo ga skupaj s tehnično smernico za graditev TSG-1-004:2010, Učinkovita raba energije. Toplotne izgube skozi stene objekta v povprečju predstavljajo približno 50-odstotni delež vseh izgub. Ostalo gre skozi streho, okna, tla, itd, kot kaže slika 5.1. Slika 5.1: Transmisijske toplotne izgube so toplotne izgube zaradi prehoda toplote skozi ovoj stavbe 5.1 Toplotna prehodnost posameznih konstrukcij Toplotna prehodnost U pove, koliko energije prehaja skozi konstrukcijo. To je energija (W), ki prehaja skozi enoto površine konstrukcije (m²) pri temperaturni razliki 1 K (W/m²K). Računsko je to vsota toplotnih upornosti vseh materialov, ki sestavljajo konstrukcijo ter prestopnih toplotnih upornosti zunanjega in notranjega zraka. Čim manjša je toplotna prehodnost konstrukcije, tem manjše bodo energijske izgube skozi element ovoja stavbe. Toplotno prehodnost U ravne stene določimo z enačbo (5.1). 32

51 kjer je: U 1 1 di 1 n i z U toplotna prehodnost (W/ m²k), toplotna prestopnost na notranji strani konstrukcije (W/ m²k), n toplotna prestopnost na zunanji strani konstrukcije (W/ m²k), z d debelina posameznega homogenega sloja (m), i toplotna prevodnost posameznega homogenega sloja (W/mK). i (5.1) Toplotni prestopnosti na notranji oz. na zunanji strani konstrukcije sta n = 8 W/( m²k) in z = 23 W/( m²k)[28]. Tlorisna površina stavbe je 9,50 X 8,14 m, višina slemena je 6,75 m. Neto površina vseh bivalnih prostorov znaša 135,06 m². Neto površina pritličja znaša 82,33 m², noto površina mansarde pa znaša 52,73 m². Skupna ogrevalna površina znaša 127,78 m². Bruto prostornina hiše znaša 441,33 m³. Podatki od posameznih prostorih v hiši so podani v tabelah 5.1 in 5.2. Tabela 5.1: Razporeditev in površina prostorov v pritličju stanovanjske hiše razporeditev površina[m²] [m²] kurilnica 2,96 X 3,82 11,31 predsoba 3,84 X 4,08 15,67 hodnik 4,62 X 1,11 5,13 kuhinja 3,38 X 3,40 11,83 dnevna soba 3,54 X 8,60 30,44 WC 3,05 X 1,13 3,46 stopnišče 1,81 X 2,48 4,49 skupaj pritličje 82,33 33

52 Tabela 5.2: Razporeditev in površina prostorov v mansardi stanovanjske hiše Razporeditev površina [m²] [m²] soba 1 3,59 X 3,54 12,71 soba 2 3,05 X 3,50 10,68 Hodnik 5,48 X 1,12 6,14 Kopalnica 2,33 X 2,20 5,13 Spalnica 3,23 X 4,98 16,10 Pralnica 2,19 X 0,90 1,97 SKUPAJ Mansarda 52,73 V nadaljevanju smo izračunali toplotne prehodnosti U za celoten stanovanjski objekt. Izračun toplotne prehodnosti skozi zunanjo steno. V tabeli 5.3 je podan sestava zunanje stene in toplotna prevodnost posameznih homogenih slojev. Tabela 5.3: Sestava zunanje stene in toplotna prevodnost posameznih slojev Material debelina [m] λ[w/mk] ekspandirani polisitren ,035-0,04 apneni omet 0,015 0,895 fasadni sloj Baumit 0,02 0,72 votli opečni blok 0,19 0,32 U 1 1 0,12 0, 015 0, 02 0, , 038 0,895 0, 720 0, ,253 W/m²K (5.2) Iz enačbe (5.2) dobimo, da je toplotna prehodnost skozi zunanjo steno 0,253 W/m²K. Dovoljena največja toplotna prehodnost skozi zunanjo steno je 0,60 W/m²K. 34

53 Toplotna prehodnost notranje stene. V tabeli 5.4 je prikazana sestava notranje stene in toplotna prevodnost posameznih homogenih slojev. Tabela 5.4: Sestava notranje stene in toplotna prevodnost posameznih slojev Material debelina [m] λ[w/mk] Omet 0,02 0,81 Modularna opeka 0,2 0,52 Omet 0,03 0,81 U 1 1 0,02 0,2 0, ,81 0,52 0, ,627 W/m²K (5.3) Iz enačbe (5.3) dobimo, da je toplotna prehodnost skozi notranjo steno je 1,627 W/m²K. Toplotna prehodnost skozi streho. Na sliki 5.2 je prikazana bakrena streha. Bakrena strehe se izdelujejo po naročilu posameznega kupca. Debelina je predvidena 0.80 mm. Slika 5.2: Bakrena streha V tabeli 5.5 je prikazana sestava strehe in toplotna prevodnost posameznih slojev. 35

54 Tabela 5.5: Sestava strehe in toplotna prevodnost posameznega sloja Material debelina [m] λ[w/mk] špirovec in toplotna izolacija ,035 Baker 0, toplotna izolacija pod špirovcem 0,10 0,035 U 1 1 0,15 0,1 0, , 035 0, ,1367 W/ m²k (5.4) Iz enačbe (5.4) dobimo, da toplotna prevodnost strehe znaša 0,137 W/m²K. Dovoljena največja toplotna prehodnost skozi streho je 0,25 W/m²K. Toplotna prehodnost oken. Vsa okna v hiši so Internormova. Gre za inovativen vezan sistem les/termoizolacijska pena/aluminij. Trikratni tesnilni sistem. Okno je prikazano na sliki 5.3. Okna so namenjena pasivnim in nizkoenergijskim hišam. Karakteristike okna so naslednje: Toplotna izolacija je do 0,69 W/m²K. Zvočna izolacija je med db. Slika 5.3: Okno Internorm 36

55 Največje dovoljene toplotne prehodnosti po smernici so sicer: 1. za vertikalna okna ali balkonska vrata in grete zimske vrtove z okvirji iz lesa ali umetnih mas (ali kombinacije teh materialov): 1,30 W/ m²k, 2. za vertikalna okna ali balkonska vrata z okvirji iz kovin: 1,60 W/ m²k, 3. za strešna okna in steklene strehe: 1,40 W/ m²k, 4. za svetlobnike in svetlobne kupole do skupno 5 % površine strehe: 2,40 W/ m²k. Toplotna prehodnost vrat v stanovanjski hiši je sledeča: 1. vhodna vrata/ Lip Bled: U = 1,2 W/ m²k. Po smernici toplotna prehodnost zunanjih vrat ne sme biti večja od 3,5 W/m2K. 2. notranja vrata: U = 1,9 W/ m²k Toplotna prehodnost tal: 1. tla proti terenu U = 0,4 W/ m²k[28]. 5.2 Izračun specifičnih toplotnih izgub Transmisijske izgube so izgube skozi ovoj stavbe. Količino transmisijskih izgub določa toplotni upor konstrukcijskega sklopa R oziroma njegova obratna vrednost U toplotna prehodnost sklopa [30]. Transmisijske izgube se izračunajo po enačbi (5.5). kjer so: Q A U ( T T ) (5.5) T n z Q transmisijska toplota (W), T U toplotna prehodnost (W/ m²k), A površina (m²), T notranja temperatura (K), n T zunanja temperatura (K). z 37

56 Dodatni toplotni tok zaradi prezračevanja izračunamo s (5.6). kjer so: Q V p c ( T T ) (5.6) L n z Q dodatna toplota zaradi prezračevanja (W), L V pretok zraka (m³/s), ρ gostota zraka (kg/ m³), c specifična toplota zraka (J/kgK). T temperatura notranjega zraka (K), n T temperatura zraka, ki vstopa v prostor (K). z Prostorninska toplotna kapaciteta zraka je konstantna in znaša 1200 J/(m³K). Sledi izračun pretoka zraka, katerega izračunamo s(5.7). kjer je: V V n V pretok zraka (m³/s), V prostornina ogrevanega prostora (neto prostornina) (m³), n predvidena stopnja izmenjave zraka. (5.7) Izbrane temperature ogrevanih prostorov V tabelah 5.6 in 5.7 so prikazane projektne temperature prostorov v stanovanjski hiši. Tabela 5.6: Temperature prostorov v pritličju stanovanjske hiše prostor (pritličje) temperatura [ C] kurilnica 20 predsoba 20 hodnik 20 kuhinja 20 dnevna soba 20 WC 24 stopnišče 20 38

57 Tabela 5.7: Temperature prostorov v mansardi stanovanjske hiše prostor (mansarda) temperatura [ C] soba 1 20 Hodnik 20 soba 2 20 Kopalnica 24 Spalnica 20 Pralnica Izračun toplotnih izgub za posamezen prostor v stanovanjski hiši Pri izračunih toplotnih izgub za posamezne prostore nismo nikjer vključil podatkov za prehod toplote skozi notranje stene, ker je temperaturna razlika ΔT [K] = 0. Pri izračunih smo sešteli površino zunanjih sten za posamezne prostore, prav tako smo sešteli površine oken, ki so v določenih prostorih. Na primer, ker so v dnevni sobi štiri okna, nismo dali vsakega posebej v izračun ampak smo v izračunu upoštevali njihovo skupno površino. Rezultati izračunov so predstavljeni v tabelah 5.8, 5.9, 5.10, 5.11, 5.12, 5.13, 5.14, 5.15, 5.16, 5.17, 5.18 in 5.19 za vsak prostor posebej. PRITLIČJE Tabela 5.8: Toplotne izgube predsobe predsoba A [m²] λ [W/m²K] ΔT[K] toplotne izgube [W] zunanja stena 18,95 0, ,22 vhodna vrata 1,85 1, ,26 okno 1,62 0, ,88 tla 15,67 0, ,68 vsota 331,04 39

58 Tabela 5.9: Toplotne izgube kurilnice Kurilnica A [m²] λ [W/m²K] ΔT[K] toplotne izgube [W] zunanja stena 12,54 0, ,65 Vrata 1,74 1, ,1 Okno 2,36 0, ,74 Tla 11,32 0, ,28 Vsota 312,77 Tabela 5.10: Toplotne izgube dnevne sobe dnevna soba A [m²] λ [W/m²K] ΔT[K] toplotne izgube [W] zunanja stena 23,76 0, ,39 Okno 5,98 0, ,16 Tla 30,44 0, ,76 Vsota 456,31 Tabela 5.11: Toplotne izgube kuhinje kuhinja A [m²] λ [W/m²K] ΔT[K] toplotne izgube [W] zunanja stena 6,03 0, ,34 Okno 2,33 0, ,06 Tla 11,82 0, ,28 Vsota 150,68 Tabela 5.12: Toplotne izgube hodnika Hodnik A [m²] λ [W/m²K] ΔT[K] toplotne izgube [W] zunanja stena 11,17 0, ,26 Tla 5,13 0, ,52 Vsota 113,78 40

59 Tabela 5.13: Toplotne izgube WC-ja WC A [m²] λ [W/m²K] ΔT[K] toplotne izgube [W] zunanja stena 2,41 0, ,56 Okno 0,39 0, ,96 Tla 3,46 0, ,84 vsota 46,36 Tabela 5.14: Toplotne izgube stopnišča stopnišče A [m²] λ [W/m²K] ΔT[K] toplotne izgube [W] zunanja stena 13,71 0, ,46 okno 3,22 0, ,32 Tla 4,48 0, ,92 vsota 205,70 MANSARDA Tabela 5.15: Toplotne izgube hodnika hodnik A [m²] λ [W/m²K] ΔT[K] toplotne izgube [W] zunanja stena 1,14 0, ,51 okno 1,48 0, ,70 vsota 43,21 Tabela 5.16: Toplotne izgube sobe sobo 1 A [m²] λ [W/m²K] ΔT[K] toplotne izgube [W] zunanja stena 4,43 0, ,99 okno 2,24 0, ,01 vsota 88,00 41

60 Tabela 5.17: Toplotne izgube spalnice spalnica A [m²] λ [W/m²K] ΔT[K] toplotne izgube [W] zunanja stena 8,89 0, ,22 okno 5,58 0, ,06 vsota 201,28 Tabela 5.18: Toplotne izgube kopalnice kopalnica A [m²] λ [W/m²K] ΔT[K] toplotne izgube [W] zunanja stena 4,61 0, ,15 okno 0,48 0, ,25 vsota 55,41 Tabela 5.19: Toplotne izgube sobe soba 2 A [m²] λ [W/m²K] ΔT[K] toplotne izgube [W] zunanja stena 5,74 0, ,92 okno 1,69 0, ,48 vsota 86,40 Iz izračunov dobimo, da celotne toplotne izgube stanovanjske hiše znašajo 2090,94 W. 5.4 Izračun potrebne dodatne toplote zaradi prezračevanja Sledi izračun dodatnih toplotnih izgub, dejansko toplotnega toka, ki nastanejo zaradi prezračevanja. Izračunamo jih po enačbi (5.8). To so toplotne izgube zaradi izmenjave odtočnega zraka iz stavbe z zunanjim zrakom. Do izmenjave zraka znotraj stavbe z zunanjim zrakom pride zaradi nepopolnega tesnjenja ovoja, odprtih odprtin (oken, vrat) ovoja ali delovanja prezračevalnega sistema [30]. Višina pritličja v obravnavani stanovanjski hiši je 2,45 m in višina 1.nadstropja je 2,35 m. 42

61 Primer izračuna za dnevno sobo: 0,5 QL V p c ( Tn Tz ) V p n c T 74, ,19 W (5.8) 3600 V tabeli 5.20 so navedene toplotne izgube zaradi prezračevanja za posamezne prostore v stanovanjski hiši. Tabela 5.20: Toplotne izgube zaradi prezračevanja za posamezne prostore v stanovanjski hiši Prostor Volumen prostora V[m³] Sprememba temperature [K] Toplotne izgube QL [W] predsoba 38, ,145 kurilnica 27, ,405 Hodnik 12, ,135 kuhinja 28, ,39 dnevna soba 74, ,19 stopnišče ,001 Wc 8, ,272 soba 1 29, ,119 Hodnik 14, ,365 spalnica 37, ,093 kopalnica 12, ,275 soba 2 25, ,885 skupaj 1839,275 Dodatna toplota zaradi prezračevanja znaša 1839,275 W. 5.5 Skupne toplotne izgube Skupne projektne toplotne izgube stanovanjske hiše dobimo tako, da seštejemo celotne transmisijske in celotne prezračevalne toplotne izgube ogrevalnih prostorov. Ta enačba dobi obliko (5.9). 43

62 kjer je: QN QT QL Q skupen potreben toplotni tok (W), N Q transmisijska toplota (W), T Q dodaten toplotni tok zaradi prezračevanja (W). L (5.9) QN QT QL 2090, , , 215 W Iz rezultatov (5.9) vidimo, da skupne toplote izgube za stanovanjsko hišo znašajo 3930,215 W. Naslednji korak, ki ga moremo določiti je izračun potrebne toplote za ogrevanje stavbe in sanitarne vode. Potrebna toplota za ogrevanje stavbe in sanitarne vode Potreba po topli sanitarni vodi znaša (po DIN 12831) 0,25 kw na osebo. V stanovanjski hiši živimo štirje, to pomeni, da potrebujemo 1 kw dodatne moči za ogrevanje sanitarne vode. Če torej seštejemo vse toplotne potrebe stavbe, dobimo skupen potrebni toplotni tok stavbe, ki znaša, če zaokrožimo 5 kw. V tabeli 5.21 so predstavljene celotne potrebe po toplotni moči (toplotnem toku) za obravnavano stanovanjsko hišo. Tabela 5.21: Toplotne potrebe stanovanjske hiše Toplotni tok za ogrevanje 3930,215 hiše [W] Toplotni tok za ogrevanje 1000 sanitarne vode [W] Skupen potrebni toplotni 4930,215 tok [W] 5.6 Določitev ogrevalnih potreb stanovanjske hiše Na osnovi izračuna toplotnih izgub objekta in potrebe po ogrevanju sanitarne vode smo izvedli izračun toplotne moči generatorja toplote ter letno količino porabljene energije za ogrevanje hiše. 44

63 Iz izračunov toplotnih izgub posameznih prostorov objekta, seštejemo vrednosti in dobimo skupne toplotne izgube objekta, ki znašajo 3931 W. Od tega odštejemo prispevke notranjih virov, ki so za stanovanjske objekte določeni na 4 W/m². V našem primeru, kjer imamo uporabno površino prostorov 128 m², znašajo prispevki notranjih virov 512 W. Dobimo, da je skupni primanjkljaj toplotne moči objekta 3420 W. Za končni izračun potrebne moči toplotne črpalke moramo dodati še potrebo po topli sanitarni vodi. Dnevne potrebe tople vode v gospodinjstvih so odvisne od števila družinskih članov in njihovih osebnih potreb. Iz tabele 5.22 izberemo predvideno porabo tople vode. Glede na to, da uporabljamo nizkotemperaturni način ogrevanja, bomo vodo ogrevali na 45 C. Iz tabele izberemo vrednost za enodružinsko hišo, ki znaša 50 litrov porabljene tople vode na osebo na dan. Računano za 4 osebe, kar pomeni litrov tople vode na leto. S pomočjo tabele 5.22 izračunamo, da štiri članska družina porabi 8 kwh energije na dan za segretje tople sanitarne vode, kar letno znaša 2920 kwh energije. Tabela 5.22: Raba tople sanitarne vode in potrebna energija za segretje Izračun skupne toplotne moči za ogrevanje objekta in sanitarne vode smo izvedli s (5.10). kjer so: P G P o PSV (5.10) PG - skupna toplotna moč za ogrevanje objekta in sanitarne vode (W), P o - primanjkljaj toplotne moči objekta (W), P SV - toplotna moč za ogrevanje sanitarne vode (W), - izkoristek ogreval je 85 %. 45

64 P G Po 3420 PSV ,53 W (5.11) 0,85 Iz rezultatov (5.11) vidimo, da skupna toplota moč za ogrevanja objekta in sanitarne vode znaša 5023,53 W. Izračun letne rabe energije za ogrevanje objekta. Trajanje povprečne kurilne sezone je po podatkih Agencije RS za okolje za Mursko Soboto v zadnjih 15 let znašalo 230,8 dni torej 231 dni. Temperaturni primanjkljaj pa je 3250 K/dni [10]. Izračun letne rabe energije za ogrevanje objekta izvedemo s (5.11): kjer so: QNH Q NH Po TP 24 T letna poraba energije za ogrevanje objekta (kwh), (5.11) P o - primanjkljaj toplotne moči objekta (W), TP - temperaturni primanjkljaj (K/dni), T - projektna temperaturna razlika (K). Q NH Po TP kWh (5.12) T Letna raba energije za ogrevanje stanovanjske hiše podana s (5.12) znaša 8892 kwh kar je okrog 69,5 kwh/m²leto. Iz dobljenih rezultatov lahko sklepamo, da imamo dokaj majhno rabo energije za ogrevanje, če vemo, da letna raba energije za ogrevanje za starejše stavbe znaša preko 200 kwh/m 2 leto. Za zgradbe, zgrajene po letu 1995 se je ta poraba zaradi uvedbe strožjih predpisov zmanjšala na 90 kwh/m 2 leto, oziroma na tretjino. Takšen trend zmanjševanja rabe energije se še vedno nadaljuje, kar potrjujejo že zgrajene nizkoenergijske hiše (NEH), ki porabijo za ogrevanje maksimalno do 55 kwh/m 2 leto. 46

65 Izračun celotne letne energije za ogrevanje objekta in sanitarne vode. Na koncu izračunamo še celotno letno energijo za ogrevanje stanovanjske hiše in sanitarne vode. Seštejemo letno rabo energije za ogrevanje objekta in letno rabo energije za sanitarno vodo. Ta enačba dobi obliko, ki je podana s (5.13): kjer so: QCEL QNH QSV (5.13) QCEL - celotna letna energija za ogrevanje objekta in sanitarne vode (kwh), QNH QSV - letna poraba energije za ogrevanje objekta (kwh), - letna poraba energije za sanitarno vodo (kwh), Q kwh (5.14) CEL Potrebna letna energija za ogrevanje stanovanjske hiše in sanitarne vode podana s (5.14) znaša kwh. 47

66 6 POSTAVITEV SISTEMA ZA ENERGETSKO SAMOZADOSTNOST Osnovo sistema za energetsko samozadostnost bosta sestavljala toplotno črpalka in otočna sončna elektrarna. V tem poglavju smo dimenzionirali in podrobno predstavili izbrano TČ zrak/voda. Enako smo naredili tudi za fotonapetostni sistem. Toplotno črpalko smo dimenzionirali v monovalentnem načinu, kar pomeni, da vso potrebno energijo za ogrevanje objekta in sanitarne vode zagotavljala sama. 6.1 Izračun toplotne moči toplotne črpalke Skupni toplotni moči za ogrevanje objekta in sanitarne vode prištejemo še faktor zaustavitve in sicer zaradi morebitnega izpada električne energije. Upoštevamo maksimalni zaporni čas (tmaks = 3 x 2 h/dan) pri zunanji temperaturi po DIN EN Za pokritje celotne dnevne potrebe po toploti, imamo zaradi zapornega časa, na razpolago le 18 ur dnevno. Pri čemer pa zaradi toplotne inercije stavbe ne upoštevamo dveh ur. Uporabljena je podana s (6.1). Toplotno inercijo stavbe predstavlja kapaciteta materiala, ki akumulira energijo. Pri tem so: QTČ 24 PG 20 (6.1) Q TČ - toplotna moč toplotne črpalke (W), P G - skupna toplotna moč za ogrevanje objekta in sanitarne vode (W). 24 Q 5023, W (6.2) TČ 20 Izračunana moč toplotne črpalke podana s (6.2) je 6029 W. Izberemo naslednjo večjo moč toplotne črpalke. Izbral sem toplotno črpalko Daikin Alterma. Toplotno črpalko sestavlja nizko temperaturna zunanja enota z nominalno zmogljivostjo 8 kw ter talna notranja enota 6-8 kw z vključenimi vsemi hidravličnimi komponentami. 48

67 Visoke zmogljivosti toplotne črpalke pri vseh temperaturah okolice in vode so jamstvo za nizke obratovalne stroške in nizke izpuste CO2. Visoke zmogljivosti gretja omogočajo izjemne učinkovitosti tudi pri nizki zunanji temperaturi. Pomoč dodatnega električnega grelca ni več potrebna ali je zelo omejena. Daikinovi inverterski kompresorji z visokim modulacijskim razponom zagotavljajo [33]: višjo učinkovitost kompresorja pri delovanju z delno obremenitvijo, proizvodne zmogljivosti, ki se natančno ujemajo z dejansko potrebo po gretju v stavbi, zagotovitev potrebnih zmogljivosti z minimalno rabo energije, manj vključevanja/izključevanja ter s tem podaljšanje življenjske dobe kompresorja, omejitev potreb po električnem napajanju pomožnih komponent pripomore k visokim sezonskim učinkovitostim. v razredu 4-8 kw ni potreben grelec na spodnji plošči zunanje enote. Toplotna črpalka Daikin zrak/voda je varčna, učinkovita, zanesljiva in cenovno ugodna napram drugim toplotnim črpalkam podobne kvalitete. Daikinovo nizkotemperaturno toplotno črpalko sestavlja zunanja in notranja enota. Zunanja enota jemlje toploto iz zunanjega zraka in dviguje njeno temperaturo do ravni, ki omogoča gretje. Ta toplota se zatem prenaša preko freonske napeljave v notranjo enoto. Freon je zbirno ime za več vrst plinov, ki so se uporabljali in se še uporabljajo v hladilnih sistemih in toplotnih črpalkah. Čeprav je napačno, se je to ime začelo uporabljati za skoraj vse vrste hladilnih medijev, ne glede na njihovo kemično sestavo. Od tu toplota (pri temperaturi do 55 C) potuje do napeljave talnega gretja, konvektorjev toplotne črpalke, nizko temperaturnih radiatorjev ali običajnih kaloriferjev in v sistem gospodinjske vroče vode. Seveda pa je mogoč tudi obraten proces, ko objekta ne ogrevamo temveč hladimo [32]. V nadaljevanju smo predstavili komponente izbrane toplotne črpalke: Zunanja enota toplotne črpalke Daikin Altherma je prikazana na sliki 6.1. Slika 6.1: Zunanja enota toplotne črpalke Daikin Altherma 49

68 Zunanja enota ima optimizirano ohišje s prosto visečim konceptom toplotnega izmenjevalnika, kar preprečuje, da bi se s spodnje ali stranske plošče nabiral led in na ta način tudi preprečuje poškodbe ventilatorja in padec moči. Zaradi tega naprava pogosteje deluje na delni obremenitvi, manj je vklopov in izklopov, poveča se učinkovitost delovanja in podaljša se življenjski cikel. Ker ima toplotna črpalka prosto viseči toplotni izmenjevalnik ni več potreben grelnik dna. Notranja enota toplotne črpalke Daikin Altherma Posebnost novih modelov Daikinovih nizkotemperaturnih toplotnih črpalk je v notranji enoti, ki je na voljo v dveh izvedbah: samostoječa in stensko montirana. Obe različici sta na voljo samo za gretje ali kot model za gretje in hlajenje. Vgrajena imata rezervna električna grelnika za dodatno gretje med obdobjem z izredno nizkimi zunanjimi temperaturami ali kot rezervo v primeru okvar zunanje enote. Poleg tega sta zelo kompaktni in enostavni za vgradnjo, vse komponente so predhodno sestavljene in vsi deli so enostavno dosegljivi za vzdrževanje. DAIKIN Altherma - Rezervoar sanitarne tople vode (dodatna oprema) Za oskrbo s toplo sanitarno vodo je na voljo namenski vodni rezervoar iz nerjavečega jekla, ki je izdelan za visoko učinkovito ohranjanje toplotne energije. Kombinacija pomožnega električnega grelnika v zgornjem delu rezervoarja in toplotnega izmenjevalnika s toplotno črpalko v spodnjem delu zagotavlja zelo nizko porabo energije za hitro ogrevanje sanitarne vode. Rezervoar ima tudi funkcijo, ki enkrat tedensko samodejno segreje vodo na 70 C ali več in na ta način prepreči možnost nastajanja bakterij legionele. Uporabniški vmesnik toplotne črpalke kaže slika 6.2. Slika 6.2: Uporabniški vmesnik toplotne črpalke 50

69 Nov je tudi visoko funkcionalni in za uporabo enostaven uporabniški vmesnik, ki omogoča povezavo z osebnim računalnikom in nalaganje kateregakoli evropskega jezika. Nastavitve delovanja se lahko pripravi v naprej in nato naloži na enoto med samim zagonom sistema prek osebnega računalnika. Nastavitve se lahko shranijo tudi kot varnostna kopija. Uporabniški vmesnik se lahko namesti na enoto ali v referenčno sobo z namenom funkcionalne uporabe sobnega termostata. Vmesnik omogoča moduliranje sobne temperature, tako da niža oziroma dviguje nastavitev temperature vode v odvisnosti od dejanske sobne temperature. Vmesnik nudi podatke o proizvedeni energiji in porabi električne energije na mesečni ali letni ravni, kar uporabnika zelo zanima. Prilagodljivost namestitve sistema Daikin Altherma Sistem toplotne črpalke zrak/voda Daikin Altherma ponuja tri namestitvene različice: Enoenergijsko Samostojno Kombinirano Poleg teh treh namestitvenih različic je mogoče sistem Altherma združiti z alternativnimi obnovljivimi viri energije kot na primer sončne energije za ogrevanje gospodinjske vode. Enoenergijski sistem Daikin Altherma Velikost toplotne črpalke se prilagodi tako, da zagotavlja odstotkov letnih potreb po toploti, preostalih 5-10 odstotkov pa zagotavlja pomožni električni grelnik. Dobra praksa narekuje izbiro toplotne črpalke, ki pokriva 60 odstotkov potreb ogrevanja na najhladnejši dan. Enoenergijska namestitvena različica sistema Altherma je priporočljiva za večino namestitev, saj omogoča najboljše ravnovesje med stroški naložbe in stroški uporabe. Samostojni sistem Daikin Altherma 51

70 Velikost toplotne črpalke je prilagojena zagotavljanju 100 odstotkov potreb po toploti na najhladnejši dan v letu. To različico priporočamo za izjemno varčne hiše in za mile podnebne razmere brez izjemno hladnih zim. Začetna naložba je morda višja, vendar pa je poraba energije manjša kot pri drugih sistemih. Kombinirani sistem Daikin Altherma Kombinirani sistem združuje dva ločena toplotna vira - toplotno črpalko in ogrevalni kotel na fosilna goriva. Obstajata dve različici kombiniranega sistema: zaporedna in vzporedna. Če je vezava zaporedna, je velikost grelnika prilagojena zagotavljanju potrebam le ob konični porabi, pri vzporedni vezavi pa lahko ogrevalni kotel samostojno zagotavlja potrebe na najhladnejši dan leta. Uporaba vzporedne vezave je priporočljiva, kjer ogrevanja že obstaja. Namestitev sistema Altherma v tem primeru zmanjša rabo energije. Na slikah 6.3 in 6.4 so predstavljeni tehnični podatki zunanje in notranje enote izbrane Dikinove toplotne črpalke. Slika 6.3: Tehnični podatki za zunanjo enoto TČ Slika 6.4: Tehnični podatki za notranjo enoto TČ 52

71 6.2 Dimenzioniranje fotonapetostnega sistema Pri dimenzioniranju sončne elektrarne smo sledili zahtevi po neto energetski samozadostnosti, kar pomeni, da se mora letna bilanca med proizvedeno in porabljeno električno gibati okrog nič. Višek ali manjko električne energije bomo oddajali v omrežje ali dobivali iz njega. Povedano z drugimi besedami, naš fotonapetostni generator mora proizvesti toliki električne energije kot jo porabimo skozi celo leto. V primeru izpada električne energije bomo zagotovili 24 urno avtonomijo sistema s primerno dimenzioniranimi kapacitetami akumulatorskih baterij. V nadaljevanju smo te trditve podprli s konkretnimi izračuni. Najprej smo izračunali letno porabo električne energije za pogon kompresorja TČ, katero smo izrazili z enačbo (6.3). Izračunana je glede na potrebne toplote za ogrevanje prostorov in sanitarne vode ter grelno število TČ. kjer so: Q E Q EER CEL kwh (6.3) QE - letna poraba električne energije za pogon kompresorja TČ (kwh), QCEL - celotna letna energija za ogrevanje objekta in sanitarne vode (kwh), EER- koeficient energetske učinkovitosti TČ QE 5158, 08 kwh (6.4) 2,29 Letna poraba električne energije za pogon kompresorja TČ podana s (6.4) znaša 5158,08 kwh. Za določitev skupne letne potrebe po električne energije smo električni energiji za pogon kompresorja prišteli še električne energije potrebno za pokrivanje potreb vseh ostalih porabnikov, ki so v stanovanjski hiši (6.5). Pri tem smo upoštevali električno energijo dobavljeno s strani podjetja Elektro Maribor v skladu z izstavljenim računom. Iz računa je razvidno, da je letna dobava električne energije za obračunsko obdobje od do znašala 3448 kwh. QSE QE QLET (6.5) 53

72 kjer so: QSE - skupna ocena letnih potreb po električni energiji (kwh), Q E - letne potrebe po električni energiji za pogon kompresorja TČ (kwh), Q LET - letne potrebe po električni energiji drugih porabnikov za obračunsko obdobje od do (kwh). Q 5158, ,08 kwh (6.6) SE Iz izračunanih rezultatov podanih s (6.6) vidimo, da skupna letna ocene potreb po električni energiji za stanovanjsko hišo znaša 8606,08 kwh. S pomočjo tega rezultata smo v nadaljevanju izračunali potrebno moč sončne elektrarne. Na slikah 6.5 in 6.6 so prikazani projektni podatki za Mursko Soboto. Projektni podatki so: Vrednost zračne mase AM = 1,5 Gostota moči sončnega sevanja je 1000 W/m² Letni energijski donos 1095 kwh/kwp, Geografska lega naselja Černelavci N E Pri letnem energijskem donosu je upoštevano povprečno letno osončenje in povprečen izkoristek (izgube) fotovoltaičnega sistema. Po navadi na 1KWp inštalirane moči v povprečju dobimo 1100 KWh v letu. Slika 6.5: Projektni podatki za Mursko Soboto 54

73 Slika 6.6: Projektni podatki za Mursko Soboto Iz letnega energijskega donosa za območje Murske Sobote ter izračunane skupne potrebe po električni energiji dobimo potrebno moč sončne elektrarne, ki naj bi zagotavljala energetsko samozadostnost v povprečju znotraj enega leta. Potrebno moč sončne elektrarne izrazimo z enačbo (6.7): kjer so: P SE W W letna LED (6.7) P SE potrebna moč sončne elektrarne (kw), W LED letni energijski donos (kwh/kwp), W letna potreba skupna letna proizvodnja električne energije (kwh). 8606,10 PSE 7,86kW (6.8) 1095 Potrebna moč podana s (6.8) znaša 7,86 kw. 55

74 Izbrali smo Mitsubishijeve module. Tip modula je PV-MLT 255 HC. Gre za monokristalni silicijev modul, ki je prikazan na sliki 6.7. Tehnični podatki modula so predstavljeni na sliki 6.8. Prednosti teh modulov so naslednje [34]: Visok izkoristek zaradi inovativne vrhunske tehnologije, Pri 5 amperih in uporabi kabla Ø 4 mm je letna izguba zaradi kabla manjša od 0,25 %, Visoka zanesljivost: zagotovljena toleranca moči +/- 2,5W do 370Wp, Odporen proti visokemu tlaku vetra in obremenitvam zaradi snega (uspešno opravljen mehanski test obremenitve (5400 Pa) v skladu z IEC verzija 2) ter proti ekstremnim temperaturnim nihanjem 25 let garancije (80% moč) v skladu z garancijskimi pogoji ecotec, Kontrola kakovosti v skladu z najvišjimi internacionalnimi standardi Certificirana proizvodnja ISO 9001: 2000 in ISO 14001:2004 IEC 61215, varnostni preizkus po IEC 61730, deklaracija CE Dobavljivo tudi s črno folijo Tedlar (opcija) Z modulom steklo-steklo maksimalna napetost sistema 1980 voltov Vršne moči modulov od 170 W do W Slika 6.7: Monokristalni silicijev modul 56

75 Slika 6.8: Tehnični podatki modula Na slikah 6.9, 6.10, 6.11, 6.12 in 6.13 smo predstavili električne lastnosti modula. Prikazane spremenljivke so maksimalna koristna moč sponk U oc. P max, kratkostični tok I SC in napetost odprtih Slika 6.9: Električna učinkovitost v odvisnosti od toka I in moči P 57

76 Slika 6.10: Odvisnost I SC, U oc, Pmax od obsevanosti ( temperatura celic 25 C) Slika 6.11: Odvisnost I SC, U oc, P max od temperature Slika 6.12: Odvisnost I SC, U oc, P max od obsevnosti (temperatura celic 25 C) 58

77 Sledi izračun števila modulov, ki nam bo zagotovilo takšno električno moč, pri čemer je P MPP = 255 W moč modula. Število modulov sončne elektrarne določimo z enačbo (6.9): kjer so: n mod P P SE MPP (6.9) n mod število modulov, P SE moč sončne elektrarne (kw), P MPP vršna moč modula (Wp). 7,86 nmod 30,82 31 (6.10) 0,255 Število modulov podan s (6.10) zaokrožimo na n mod = 31. Sledi izračun površine sončne elektrarne. Najprej izračunamo površino modula in sicer po enačbi (6.11) nakar jo pomnožimo s številom modulov (6.11). Podatke o višini in širini modula smo vzeli iz tehničnih podatkov modula. pm š v (6.11) kjer so: p m površina modula (m²), š širina modula (m²), v višina modula (m²). p 0,78 1,56 1, 22 m² (6.12) m Površina modula podana s (6.12) znaša 1,22 m². V nadaljevanju smo s (6.13) izračunali površino sončne elektrarne. 59

78 kjer so: p SE p p n SE m mod površina sončne elektrarne (m²), (6.13) n mod število modulov, p m površina modula (m²). p 31 1,22 37,82 m² (6.14) SE Sedaj ko smo s (6.14) dobili površino sončne elektrarne, sledi izračun, oziroma dimenzioniranje strehe. Streha je dvokapnica z naklonom 33. En del strehe je obrnjen na severno in drug na južno stran. Zaradi montažnega prizidka, ki ima isti naklon strehe in se spaja s hišo, smo vzeli namesto dolžine hiše 9,50 m dolžino 13,50 m. Površino strehe izrazimo z enačbo (6.15): kjer so: p ST p ST ab cos( ) površina strehe (m²), (6.15) a širina hiše, b dolžina hiše (m²), cos( ) naklon strehe ( ). p ST 8,14 13,50 131,03 m² (6.16) cos(33) Površina strehe podana s (6.16) meri več kot 131 m². Vidimo, da imamo na razpolago več kot 65,5 m² strešne površine. Izračunajmo še instalirano moč sončne elektrarne katero dobimo, če med seboj pomnožimo število modulov in vršno moč fotonapetostnih modulov (6.17): P n P (6.17) SE mod MPP 60

79 kjer so: P SE instalirana moč sončne elektrarne (kw), n mod število modulov, P MPP vršna moč modula (W). P W (6.18) SE Instalirana moč sončne elektrarne podana s (6.18) je 7905 W. 6.3 Razsmernik Razsmernik je gradnik sončne elektrarne, preko katerega se enosmerne veličine sončnega generatorja pretvarjajo v izmenične. Njegova funkcija je omogočiti kar najvišji pretok energije od sončnega generatorja v omrežje in to v zelo zahtevnih pogojih spreminjanja vhodnih veličin. Sončni generator ima lahko v vsakem trenutku različno vrednost proizvedene moči, zaradi spremenljivega sončnega obsevanja (senčenje v delno oblačnem vremenu). Dober razsmernik je zmožen v širokem območju vhodnih napetosti delovati v načinu sledenja točki največje moči MPP (maximum power point) in na ta način pretvarjati s kar največjim izkoristkom. Za moj primer sem izbral razsmernik Sunny boy Razsmernik je primeren za uporabo v primeru naše sončne elektrarne. V tabeli 6.1 so podane njegove karakteristike. Tabela 6.1: Karakteristike razsmernika Model razsmernika Sunny boy 1200 Max. moč DC 1320 W Max. napetost DC 400 V PV-območje, MPPT 100 V- 320 V Max. vhodni tok 12,6 A Izkoristek 92,10% Cena 950,00 EUR 61

80 6.4 Dimenzioniranje akumulatorske baterije Za konec smo dimenzionirali še baterijo za 24 urno avtonomijo v primeru izpada električne energije. Pri izračunu smo upoštevali vse električne porabnike razen toplotne črpalke. Najprej smo morali izračunati dnevne potrebe po električni energiji. Nakar smo to vrednost delili z nazivno napetostjo sistema ter faktorjem praznjenja baterije. Izračun dnevne potrebe po električni energiji smo izrazili s (6.19): kjer so: Q DAN QLET QDAN 365 dnevna poraba električne energije (kwh), (6.19) Q LET letna poraba električne energije (kwh) QDAN 9, 446kWh (6.20) 365 Dnevna poraba električne energije podana s (6.20) je 9446,57 Wh. Sedaj lahko izračunamo še potrebno kapaciteto baterije. Izračun kapacitete baterije je podan z enačbo (6.21): Kjer so: C SIS C SIS QDAN U p SIS db kapaciteta akumulatorske baterije (Ah), (6.21) p db največje dopustno praznjenje akumulatorske baterije, Q DAN dnevna poraba električne energije (Wh), U SIS nazivno napetostjo sistema (V). 9446,57 CSIS 524,81Ah (6.22) 24 0,75 Kapaciteta akumulatorske baterije podana s (6.22) je 524 Ah. 62

81 7 POSLOVNO FINANČNA ANALIZA V tem poglavju bomo s stroškovno analizo presodili upravičenost naložbe v projekt izgradnje sistema za energetsko samozadostnost stanovanjske hiše. Najprej bomo izvedli ekonomsko analizo gibanja cen električne energije in naftnih derivatov. S pridobljenimi podatki bomo na koncu lažje upravičili naložbo v sistem za zagotavljanje energetske samozadostnosti kot smiselno ali ne. Sledila bo analiza financiranja investicije, kjer bomo podrobno opisali vsa nepovratna sredstva, ki jih pridobimo iz naslova Eko sklada RS. Analiza zajema začetne stroške naložbe, stroške postavitve sistema, stroške obratovanja in vzdrževanja ter analizo financiranja investicije. Namen poslovno finančne analize je, da upoštevamo tržne podatke, ki temeljijo na predračunih. Finančne podrobnosti za sončno elektrarno smo povzeli po predračunu podobne sončne elektrarne, kot smo jo sprojektirali za našo hišo. Finančne podrobnosti za toplotno črpalko pa smo dobili iz originalnega kataloga za identično toplotno črpalko, kot smo jo dimenzionirali. Stroške postavitve in inštalacije toplotne črpalke smo pridobili iz spletnega kataloga ter predračunov, ki so nam jih posredovali iz podjetja Termotehnika d. o. o.. Prej omenjene stroške smo vključili v nabavne stroške investicije. V poslovni finančni analizi smo zajeli tudi obračun amortizacije, s katero želimo prikazali vrednostno obrabo sredstev. Na koncu smo še na primeru WACC analize, pokazali različne možnosti strukture financiranja. Z analizo tveganj se nismo ukvarjali, poslovni model tega ni zahteval. V poslovno finančno analizo nismo vključili stroškov, ki bi nastali ob morebitni odstranitvi sončne elektrarne po izteku njene življenjske dobe. 7.1 Ekonomska analiza trga energije Absolutna raven cen energije in njihova gibanja kratkoročno in dolgoročno vplivajo na skupno rabo energije in vplivajo na spremembo v povpraševanju po različnih gorivih. Rast cen energije je spodbuda za zmanjšanje rabe energije pri končnih porabnikih, s čimer se zmanjšuje vpliv na okolje. Relativne spremembe cen energentov, ki so zamenljivi med seboj, vplivajo na zamenjavo med gorivi. Cene energentov so se glede na leto 1995 povečale. Glavni razlog je povečanje cen goriv na mednarodnih trgih. 63

82 V primeru, da se bo nadaljeval trend rasti cen energentov, se zdi naložba v izkoriščanje obnovljivih virov vse bolj ekonomsko upravičena. V nadaljevanju smo prikazali, kako so se spreminjale cene električne energije in naftnih derivatov ter skušali predvideti kakšen bo trend rasti v prihodnosti Ekonomska analiza trga električne energije V Sloveniji so se po letu 1992 cene električne energije do leta 1998 zviševale predvsem s ciljem doseči raven, ki bi pokrivala podjetniške in zunanje stroške proizvodnje električne energije in s postopnim uveljavljanjem tržnega oblikovanja cen v energetiki. Dvig cene električne energije je prikazan na sliki 7.1. Slika 7.1: Cene električne energije za gospodinjstva od do Po začetku uvajanja in odpiranja trga v državi so se cene električne energije v industriji znižale in do leta 2005 ustalile. Po letu 2006 so se začele realno spet povečevati, predvsem kot posledica gibanja cen na širšem trgu EU, kjer so rasle zaradi večjega povpraševanja, vpliva vrednosti emisijskih kuponov in visokih cen naftnih derivatov na svetovnem trgu. Povečanje maloprodajne cene električne energije za industrijske odjemalce za 7,0 % med leti 2008 in 2011 je bilo v večji meri posledica višje trošarine, cena brez vseh davkov se je namreč zmanjšala za 1,1 %. 64

83 V letu 2011 se je glede na preteklo leto maloprodajna cena zmanjšala za 0,6 %, za 2,9 % pa se je zmanjšala cena brez davkov. Cene električne energije za gospodinjstva so se v obdobju od 1995 do 2000 povečale za 19,9 %. Razloga sta bila predvsem dvig davčne obremenitve in cene energije. Prvega julija 2007 se je trg z električno energijo odprl tudi za gospodinjske uporabnike. Cena električne energije za gospodinjstva pred odprtjem trga še ni odražala tržne cene, odprtje trga z električno energijo za gospodinjske porabnike ni prineslo vidnejših cenovnih sprememb v letu Cene so se med letoma 2008 in 2011 povečale za 22,1 odstotkov in sicer zaradi povečanja cene energije za 15,1 odstotkov in 49,1 odstotnega dviga davkov v tem obdobju. Cene električne energije v Sloveniji ostajajo pod ravnijo cen držav EU in so za gospodinjske odjemalce nižje od povprečja EU za 16 %, za industrijske odjemalce pa za 5 % Ekonomska analiza naftnih derivatov in kurilnega olja Slovenija je ena redkih držav EU, ki v celoti regulira ceno naftnih derivatov. Predpisano ima metodologijo za oblikovanje osnovne cene goriv, država pa na končno ceno vpliva tudi z določanjem višine trošarine. Osnovni namen uvedbe nadzora cen naftnih derivatov je bila zaščita potrošnikov pred oligopolnim določanjem osnovnih cen s strani trgovcev goriv in tudi možnost izvajanja zaščitnih ukrepov pred vplivom svetovnih cen nafte na inflacijo v Sloveniji. Cene naftnih derivatov so se v obdobju od leta 1995 do leta 2007 realno povečevale s povprečno letno stopnjo rasti nad 4,5 %, vendar glavni razlog za rast v obdobju pred letom 2000 in po njem ni enak. V prvem obdobju je bila rast cen posledica predvsem višje obdavčitve naftnih derivatov (uvedba trošarine in DDV), medtem ko je bil glavni razlog za rast maloprodajnih cen naftnih derivatov v zadnjih letih predvsem posledica rasti osnovne cene goriv zaradi visokih cen nafte na svetovnih trgih. V letu 2009 so zaradi nižjih cen na trgu cene naftnih derivatov padle v primerjavi z V letu 2011 pa je opazna vnovična rast cen naftnih derivatov, tako da pri dizlu in bencinu cene ujamejo trend rasti do leta Cena dizelskega goriva se je zvišala za 11,7 %, bencinskega goriva za 9,3 % in cena kurilnega olja je bila višja za 24,1 % kot v letu

84 V obdobju 2008 do 2011 se je znatno spremenila trošarina, ki je za dizelsko gorivo D2 višja za 35,2 %, za bencinsko gorivo NMB 95 pa za 29,4 %. Pri kurilnem olju se je trošarina povečala za več kot 2 krat v primerjavi z letom Leta 2011 so bile maloprodajne cene neosvinčenega bencina NMB 95 v primerjavi s povprečjem EU nižje za 6 %, za dizelsko gorivo D2 pa nižje za 1 %. Na sliki 7.2 je prikazano gibanje cen kurilnega olja od leta 1995 do leta Slika 7.2: Cena kurilnega olja od do Srednjeročno bo cena nafte v prihodnosti v veliki meri odvisna od razmerja med odkritji novih razpoložljivih zalog in umirjanjem proizvodnje z namenom stabilizacije cen. Na dolgoročnejši trend pa bodo vplivali hitrost razvoja vse pomembnejšega alternativnega načina pridobivanja nafte iz skrilavca, število odkritij novih nahajališč in še posebno različni državni energetski programi, saj si številne države prizadevajo za smotrnejšo rabo naftnih derivatov. Prav tako razvite države že dolgo vlagajo v razvoj in uvajanje alternativnih, obnovljivih virov energije, tako v energetiki in industrijski proizvodnji kot v avtomobilski panogi, kar bo v prihodnjih desetletjih bržkone dramatično spremenilo svetovni energetski zemljevid. 66

85 7.2 Nepovratna sredstva Eko sklada RS Eko sklad, Slovenski okoljski javni sklad, je pravni naslednik Ekološkega sklada Republike Slovenije, javnega sklada (Sklad), še prej Ekološko razvojnega sklada Republike Slovenije, javnega sklada, in je največja finančna ustanova, namenjena spodbujanju okoljskih naložb v Republiki Sloveniji. Novo ime sklada je določeno z zakonom o spremembah in dopolnitvah zakona o varstvu okolja, ki je začel veljati 27. julija Osnovna dejavnost Sklada je ugodno kreditiranje različnih naložb varstva okolja po obrestnih merah, nižjih od tržnih. Za delovanje sklada je pristojno Ministrstvo za kmetijstvo in okolje. Eko sklad spodbuja razvoj na področju varstva okolja z dajanjem kreditov oziroma poroštev za okoljske naložbe in z drugimi oblikami pomoči. Sklad vzpodbuja naložbe, ki so skladne z nacionalnim programom varstva okolja in z okoljsko politiko Evropske unije [35]. Med okoljske naložbe spadajo: obvladovanje in omejevanje onesnaževanja voda, tal in zraka ter emisij hrupa in sevanj, smotrno ravnanje z odpadki, zmanjševanje tveganj, ohranjanje in varstvo biotske raznovrstnosti in genskih virov. Okoljevarstveni programi, ki so v pristojnosti Eko sklada RS: program kreditiranja republiških in obveznih lokalnih javnih služb varstva okolja, program kreditiranja okoljskih naložb pravnih oseb in samostojnih podjetnikov posameznikov, za investicije v naprave in tehnologije varstva okolja, okolju prijaznejše tehnologije in izdelke ter za realizacijo sanacijskih programov povzročiteljev obremenitev, program "Zmanjšanje onesnaževanja zraka", za investicije pravnih oseb, samostojnih podjetnikov posameznikov in fizičnih oseb v prehod iz okolju škodljivih na okolju prijaznejše vire ogrevanja. 67

86 Eko sklad je torej javni finančni sklad katerega osnovna dejavnost je kreditiranje naložb na področju varstva okolja, skladno z nacionalnim programom varstva okolja in s skupno okoljsko politiko Evropske unije. Dejavnosti sklada so zlasti [36]: kreditiranje naložb varstva okolja s krediti z ugodno obrestno mero, izdajanje garancij in drugih oblik poroštev za naložbe varstva okolja, finančno, ekonomsko in tehnično svetovanje in naloge, ki se nanašajo na izvajanje politike varstva okolja. 7.3 Nepovratna sredstva za izgradnjo sončne elektrarne Projekti, kot so okoljski in energetski projekt in so povezani z obnovljivimi viri energije, imajo možnost pridobiti sredstva Evropske unije. Za ta sredstva lahko v javnih razpisih zaprosi fizična oseba ali podjetje. Slovenija s pomočjo sredstev evropskih skladov spodbuja uporabo obnovljivih virov energije (OVE), kamor spadajo tudi sončne elektrarne [37]. Možno je pridobiti subvencije ali ugodne kredite, odvisno od posameznega razpisa. Subvencija pri izgradnji sončnih elektrarn je sledeča: Nepovratna sredstva za postavitev sončne elektrarne so trenutno namenjena le mikro podjetjem (od 1 do 9 zaposlenih), ki se nahajajo na podeželju. Mogoče je pridobiti sofinanciranje investicije v višini 70% upravičenih stroškov oziroma maksimalno V kolikor ste fizična oseba in imate večjo investicijo je priporočljivo, da ustanovite podjetje in zaposlite eno osebo. Šele ko izpolnite ta pogoj, se lahko prijavite na javni razpis in pridobite subvencijo. Pomembno pa je poudariti, da se s pridobitvijo nepovratnih sredstev zniža zajamčena odkupna cena električne energije iz sončne elektrarne. Nova uredba predpisuje znižanje subvencije z upoštevanjem t.i. anuitetnega faktorja, katerega vrednost za PV sisteme je 0,078. Eko sklad prav tako razpisuje ugodne kredite za okoljske naložbe tako gospodinjstev kot tudi podjetij. 68

87 Za gospodinjstva je mogoče pridobiti kredit v višini do za postavitev sončne elektrarne vršne moči do 50 kw. Letna obrestna mera je fiksna nominalna v višini 3,90 %, doba odplačila kredita pa lahko znaša do 10 let. Za podjetja znaša najnižja letna obrestna mera za kredite trimesečni EURIBOR + 1,5 %, odplačilna doba pa največ 15 let z vključenim moratorijem. Mogoče je pridobiti kredit v višini 90% vrednosti investicije oziroma od minimalno do maksimalnih 2 mio [36]. 7.4 Nepovratna sredstva za vgradnjo toplotne črpalke Pri vgradnji toplotne črpalke za pripravo sanitarne tople vode in/ali centralno ogrevanje stanovanjske stavbe smo opravičenih do različnih spodbud. Pravica do spodbude je lahko dodeljena za nakup in vgradnjo toplotne črpalke, ki dosega minimalno predpisano grelno število. Spodbuda znaša največ 25 % priznanih stroškov naložbe in ne več kot [36]: EUR za toplotno črpalko za ogrevanje in pripravo sanitarne tople vode po sistemu voda/voda ali zemlja/voda, EUR oz EUR za bolj učinkovito toplotno črpalko zrak/voda, 250 EUR za toplotno črpalko za sanitarno toplo vodo. Na Eko skladu ocenjujejo, da bodo na ta način spodbudili k odločitvi za izvedbo takih naložb najmanj občanov in da bodo za ta namen dodelili 2,3 mio EUR nepovratnih sredstev. Degradirana območja Vse slabša kakovost zraka je spodbudila vlado, da je septembra 2013 sprejela program porabe sredstev sklada za podnebne spremembe v letih 2013, 2014 in Program določa porabo sredstev za spodbujanje ukrepov učinkovite rabe energije in ukrepov za izboljšanje kakovosti zraka na območjih, ki so zaradi prekomerne onesnaženosti zraka s PM10 uvrščena v razred največje obremenjenosti. Trdni delec (PM) je izraz za prah, ki je prisoten v zraku v določenem obdobju. Kot aerosol je v obliki vodne kapljice, v kateri je ujet trden ali tekoč delec. Leto 2014 prinaša nekaj novosti iz področja podeljevanja subvencij za ogrevalne naprave. 69

88 V t.i. degradiranih območjih Eko sklad tako ne bo več podeljeval subvencij za vgradnjo kurilne naprave na biomaso. Prioritetno se bodo sofinancirale naložbe v vgradnjo toplotne črpalke za centralno ogrevanje in/ali pripravo sanitarne tople vode, priključitev na daljinsko ogrevanje na lesno biomaso, vgradnjo lesenega zunanjega stavbnega pohištva, toplotno izolacijo fasade, toplotno izolacijo strehe ali stropa proti neogrevanemu prostoru, vgradnjo prezračevanja z vračanjem toplote odpadnega zraka in prenovo stavb v nizkoenergijski ali pasivni tehnologiji. Za program iz sredstev Sklada za podnebne spremembe je predvidenih 7,5 mio EUR nepovratnih sredstev za energijsko sanacijo stanovanjskih stavb na degradiranih območjih [38]. Cilj ukrepov je poleg povečanja energijske učinkovitosti in s tem zmanjšanja emisij toplogrednih plinov tudi zmanjševanje emisij prašnih delcev, ki predstavlja vse bolj pereč problem predvsem na območjih, kjer je zrak prekomerno onesnažen, zato bo delež sofinanciranja v priznanih stroških naložb na teh območjih višji. Tako bo vgradnji toplotne črpalke za pripravo sanitarne tople vode in/ali centralno ogrevanje stanovanjske stavbe dodeljena spodbuda, ki bo znašala do 50 % priznanih stroškov naložbe, vendar ne več kot [39]: EUR za toplotno črpalko za ogrevanje in pripravo sanitarne tople vode po sistemu voda/voda ali zemlja/voda, EUR oz EUR za bolj učinkovito toplotno črpalko zrak/voda, 300 EUR za toplotno črpalko za sanitarno toplo vodo. Za večstanovanjske stavbe na degradiranih območjih bo višina spodbude znašala največ 50 % priznanih stroškov nakupa in vgradnje naprave za centralno ogrevanje na obnovljiv vir (toplotna črpalka). Seznam degradiranih območij [39]: 1. Mestna občina Celje 2. Mestna občina Kranj 3. Mestna občina Maribor 4. Mestna občina Novo Mesto 5. Območje Zasavja: občine Hrastnik, Trbovlje in Zagorje ob Savi 6. Mestna občina Murska Sobota 70

89 Kolikor bo naložba izvedena na območju s sprejetim Odlokom o načrtu za kakovost zraka, višina nepovratne finančne spodbude znaša do 50 % priznanih stroškov naložbe, vendar za toplotne črpalke za ogrevanje in pripravo sanitarne tople vode ne več kot [39]: za toplotno črpalko tipa voda/voda ali zemlja/voda, za toplotno črpalko zrak/voda z grelnim številom 3,65 in več, za toplotno črpalko zrak/voda z grelnim številom od 3,35 do 3,64. Višina nepovratne finančne spodbude za toplotne črpalke za pripravo sanitarne tople vode znaša največ 50 % priznanih stroškov naložbe, vendar ne več kot 300. Priznani stroški vključujejo: - Nabavo in namestitev toplotne črpalke - Nabavo in namestitev hranilnika toplote ter povezavo s toplotno črpalko - Cevne povezave toplotne črpalke z virom toplote, ustrezno varovalno in krmilno opremo. Pravica do nepovratne finančne spodbude je dodeljena le za serijsko izdelane toplotne črpalke, na podlagi originalnega predračuna izvajalca naložbe, ki obvezno vključuje nabavo in namestitev toplotne črpalke ter podatke o vrsti oziroma modelu toplotne črpalke. 7.5 Analiza obratovalnih stroškov Stroški obratovanja sončne elektrarne in toplotne črpalke res da niso veliki, zaradi tega jih nekateri ponudniki radi pozabijo omeniti. V našem primeru zagotavljamo energetsko samozadostnost stanovanjske hiše s pomočjo sončne elektrarne in toplotne črpalke, torej moramo preučiti, kakšni so stroški obratovanja za vsak sistem posebej. Toplotne črpalke ne potrebujejo praktično nobenega vzdrževanja, njihova življenjska doba pa je okrog 25 let. Obratovalne stroške toplotne črpalke predstavlja raba električne energije, ti pa so odvisni od specifike vsake toplotne črpalke posebej. Strošek rabe električne energije za ogrevanje s TČ zrak/voda za hišo velikosti 135m² znaša letno okrog 420 EUR. 71

90 V našem primeru dobi toplotna črpalka vso potrebno električno energijo iz sončne elektrarne, kar pomeni, da so stroški obratovanja nični. Stroški obratovanja pri sončnih elektrarnah prav tako niso veliki, kljub temu pa jih je smiselno analizirati. Med stroške obratovanja sončne elektrarne spada: Zavarovanje sončno elektrarno je potrebno zavarovati, saj je izpostavljena viharjem, toči, požaru. Kvalitetni moduli so odporni na običajno točo, če pa pride do ekstremno debele toče, bo razbila tudi kakšnega od teh modulov. Te osnovne rizike krije požarno zavarovanje, letna premija pa znaša med 0,10 in 0,15% vrednosti elektrarne, kar znaša okrog 60 EUR. Pri elektrarni je priporočljivo enkrat letno preveriti, ali držijo vsi vijaki in kontakti in opraviti test razsmernikov. Strošek tega znaša okrog 0,3% celotne investicije letno. Drugih stroškov obratovanja ni, razen pri elektrarnah na sledilnikih, kjer je z vzdrževanjem sledilnikov lahko še nekaj dodatnega dela, kar pa v našem primeru ne pride v poštev. Če so moduli nameščeni pod kotom vsaj 20, običajno čiščenje ni potrebno, ker jih čisti dež. Manjše količine prahu nimajo omembe vrednega vpliva na izplen pri proizvodnji električne energije. Če pa so na modulih večji ptičji iztrebki, večje količine prahu ali druge umazanije (v bližini kamnolomov, žag, makadamskih cest ali drugih virov prahu), pa jih je potrebno občasno očistiti. Posebej je potrebno biti pozoren na umazanijo, ki bi se lahko nabrala ob robu modula. Tudi snega v zimskem času običajno ni potrebno čistiti, ker bo zaradi naklona in gladke površine kar hitro zdrsel iz modulov. Tudi če kakšen dan ali dva ostane na modulih, je zaradi tega, ker elektrarna pozimi proizvaja precej manj kot poleti, vpliv na celotno letno proizvodnjo zanemarljiv. Če povzamemo, stroški obratovanja (kamor štejemo tudi strošek zavarovanja) znašajo letno približno 0,5% vrednosti investicije. Ker v našem primeru nimamo elektrarne na sledilnikih, večje vzdrževanje ni potrebno. Edina stvar, ki jo bo v 30 letih verjetno potrebno servisirati, so razsmerniki. 72

91 Za ca. 500 EUR se lahko dokupi vmesnik, ki nam omogoča spremljanje delovanja elektrarne preko interneta, kjer z lahkoto opazimo, če naša elektrarna ne deluje pravilno. Sklenemo lahko tudi vzdrževalno pogodbo, ki pa tudi pri elektrarnah v vrednosti ali EUR ne bo znašala več kot nekaj 100 EUR letno. Če se ne odločimo za vzdrževalno pogodbo, je priporočljivo, da sami vsaj enkrat letno pregledamo konstrukcijo, vijake in kable, vsaj vsakih nekaj let pa pokličemo strokovnjaka, da pregleda delovanje razsmernikov. 7.6 Analiza investicijskih izdatkov V tekočem poglavju smo določili investicijske izdatke za vse potrebne komponente, katere so sestavni del našega sistema. Cene komponent za izbrano vrsto toplotne črpalke Daikin Altherma smo pridobili iz spletne strani ponudnika, ceno za izvedbo inštalacij, montažo in zagon le te, pa so nam posredovali iz podjetja Termotehnika d. o. o. Pri analizi investicijskih izdatkov za sončno elektrarno smo si pomagali s specifikacijo računa, na sliki 7.3, ki je narejen za sončno elektrarno podobne instalirane moči ter podobne velikosti. Pri izračunih so upoštevana tudi vsa nepovratna sredstva, do katerih smo upravičeni iz naslova subvencij Eko sklada RS. Slika 7.3: Specifikacijo računa sončne elektrarne (Izvajalec: Inpro 22 d.o.o.) Spodaj so razčlenjeni in izračunani skupni izdatki za posamezne komponente sistema. 73

92 V našem primeru, ko nabavljamo toplotno črpalko skupaj z montažo, znaša DDV 9,5 % skupne cene, medtem ko se pri postavitvi sončne elektrarne upošteva višja stopnja ddv-ja, katera znaša 22 %. TČ Daikin Altherma 8 kw zunanja enota: 1.996,00 EUR + DDV TČ Daikin Altherma talna notranja enota 6-8 kw. Notranja enota za gretje s 170 l rezervoarjem za toplo gospodinjsko vodo: 3.681,00 EUR + DDV Izvedba inštalacij v kotlovnici, osnovna montaža, zagon in prevoz: 1.865,00 EUR + DDV TČ (skupni stroški+ DDV) 8.258,70EUR TČ (- nepovratna sredstva 1, EUR). Delež 50% investicije presega maksimalno subvencijo, zato lahko računamo na 1.250,00 EUR. Skupni znesek fiksnih stroškov za TČ zrak/voda znaša 8.258, ,00 = 7.009,00 EUR. SE (skupni stroški + DDV) ,75 EUR (ker sem fizična oseba, nisem upravičen do nepovratnih sredstev, na voljo so razni ugodni krediti, katerih v mojem primeru ne bom uporabil) Celotna investicija: ,75 EUR Vidimo, da nas celotna investicija stane ,75 EUR. Variabilni stroški so stroški vzdrževanja in obratovanja, katere smo opisali v poglavju Obračun amortizacije Amortizacija je opredeljena v Slovenskih računovodskih standardih kot strošek, ki nastaja zaradi prenašanja nabavne vrednosti amortizirljivega sredstva na poslovne učinke. Obračuna se kot zmnožek amortizacijske osnove in amortizacijske stopnje. Predmet amortizacije so amortizirljiva dolgoročna sredstva in opredmetena osnovna sredstva [45]. Z amortiziranjem želimo zaračunati vrednostno obrabo sredstev proizvodom oziroma storitvam, ki smo jih z njihovo pomočjo ustvarili. S tem zbiramo denar za nabavo novega osnovnega sredstva, ko bo staremu potekla doba koristnosti [46]. Doba koristnosti je obdobje, v katerem se pričakuje, da bo podjetje lahko uporabljajo sredstvo oziroma število proizvodov ali podobnih enot, ki naj bi jih podjetje pridobilo na podlagi uporabe sredstev. To torej ni doba fizičnega trajanja posameznega sredstva ali skupine sredstev. 74

93 V našem primeru smo se odločili, da bomo začetno investicijo amortizirali 15 let po linearni metodi, kar pomeni, da je amortizacijska stopnja 6, %. Amortizacijski znesek dobimo tako, da amortizacijsko stopnjo pomnožimo z amortizacijsko osnovo. Amortizacijska osnova je v našem primeru celoten strošek investicije, torej ,75 EUR. Vemo pa, da je priporočljivo po 15-tem letu zamenjati razsmernike, ki predstavljajo 8 % začetne investicije sončne elektrarne oziroma 1.613,26 EUR. Le-ti pa bodo v uporabi le 10 let. Po 15 letu bo tako amortizacijski znesek 161,326 EUR. Amortizacijski znesek do vključno 15 leta = ,75 EUR / 15 let = 1.811,65 EUR/leto Amortizacijski znesek po 15 letu = 1.613,26 EUR / 10 let = 161,326 EUR/leto V prvih 15 letih investicije bo tako izkazan strošek v višini 1.811,65 EUR, v zadnjih 10 letih pa strošek v višini 161,326EUR. Ker gre pri naložbi v SE in TČ za dolgoročno investicijo, moramo biti še posebej pozorni na vrednost denarja v času. 7.8 Stroški financiranja Investicijo v SE in TČ lahko financiramo z lastnim ali z dolžniškim kapitalom. Odločitev o viru financiranja je odvisna od stroškov kapitala, v večini primerov pa gre za kombinacijo obeh virov financiranja, kjer je strošek kapitala enak WACC (angl. Weighted Average Cost of Capital). Sredstva podjetja so financirana z dolgovi ali kapitalom. Iz tega sledi, da se podjetje financira na najrazličnejše načine kot je npr. lastniški kapital, dolgoročni dolg, kratkoročni dolg itd. Vsak tak vir financiranja pa zahteva drugačen donos. WACC je tehtano povprečje stroškov, ki jih imamo z posameznim virom financiranja. V nadaljevanju smo na primeru WACC analize prikazali različne možnosti financiranja. Pri izračunu WACC za uporabo lastniškega in dolžniškega kapitala upoštevamo seštevek tehtanih stroškov kapitala z razmerjem financiranja kot je prikazano v enačbi (7.1). Pri tem so: WACC w r (1 T) w r (7.1) d d s s w d delež dolga v financiranju, r d strošek dolžniškega kapitala, 75

94 T davčna stopnja, w s delež lastniškega financiranja, r s stroški lastniškega kapitala. Stroški kapitala so različni zaradi različne izpostavljenosti tveganju lastnikov kapitala. Lastniki navadnega kapitala so izpostavljeni tveganju bankrota, zato zahtevajo višje donose. Dolžniški kapital je po drugi strani cenejši tudi zaradi uporabe davčnega ščita. Ob danih investicijskih odločitvah je optimalna struktura kapitala tista, pri kateri je tehtano povprečje stroškov kapitala (WACC) najnižje, saj je razlika med donosnostjo in stroški financiranja takrat največja. Pridobivanje dolžniških virov financiranja je odvisno od zmožnosti posameznika. Banke se v tem obdobju na Slovenskem ukvarjajo s finančnimi težavami, kar se odraža tudi v posojilnem krču za gospodarski sektor in posamezne fizične osebe. Strukture financiranja investicije so lahko različne. Pri izračunu tehtanega povprečja stroškov kapitala (WACC) so bistvenega pomena njegove sestavine: strošek dolga (po davkih), strošek prednostnega in navadnega kapitala. Za izračun slednjega smo uporabili model določanja cen dolgoročnih naložb (CAPM model). CAPM model opisuje razmerje med tržnim tveganjem in zahtevano stopnjo donosa. Pove nam, kakšno premijo za tveganje bodo za naložbo zahtevali vlagatelji, ki imajo dobro razpršeno premoženje. Rezultati izračunov so prikazani na sliki 7.4. Osnovni parametri kateri so vključeni v izračune, so: netvegana donosnost, koeficient beta, davčna stopnja in povprečna donosnost na trgu kapitala. Najprej smo izračunali koeficient beta. Koeficient beta meri prispevek naložbe k tveganju premoženja. Meri tudi nestanovitnost donosnosti naložbe glede na povprečno naložbo na trgu (donosnost tržnega indeksa). Natančnejša ocena koeficienta beta je mogoča le ob stabilnih razmerah na finančnih trgih, ki bolje ponazarjajo tveganja kot turbolentna obdobja. V naših izračunih znaša koeficient beta 0,841. Pri izračunih smo na podlagi trenutnih razmer na trgu upoštevali, da povprečni koeficient beta nezadolžena znaša 0,63. [48] V naslednjem koraku smo določili netvegano stopnjo donosa. Zaradi nestabilnih razmer, ki vladajo na svetovnih finančnih trgih, smo vzeli vrednost, ki je veljala pred začetkom obdobja krize. Zgodovinsko povprečje kaže, da je znašal nominalni donos nemške desetletne državne obveznice DE ,50%, kar bomo uporabili kot netvegano stopnjo donosa. Prva neznanka pri oceni tehtanega povprečnega stroška kapitala je strošek lastniškega kapitala. Podjetja pridobivajo tako lastniški, kot tudi dolžniški kapital. 76

95 Najpogostejša oblika lastniškega kapitala so navadne delnice, dolžniški kapital pa podjetje pridobi z najemom dolga ali z izdajo obveznic ter izdajo prednostnih delnic. Vsa ta različna sredstva financiranja vplivajo na končni tehtani povprečni strošek kapitala, imenovan WACC. Začetek ocenjevanja stroška lastniškega kapitala z uporabo CAPM metode se prične z oceno netvegane stopnje donosa, katero smo določili malo prej. V nadaljnjih izračunih upoštevamo, da je tržna premija za tveganje enaka pričakovani donosnosti tržnega premoženja, zmanjšani za netvegano stopnjo donosa. Tržno premijo ocenjujemo na podlagi analize preteklih podatkov (angl. Historical data analysis) in na podlagi prihodnjih podatkov (angl. forwardlooking data analysis). Ocenjevalne agencije (npr. Ibbotson Associates) ocenjujejo zgodovinsko tržno premijo za tveganje (angl. historical risk premium) na podlagi analize podatkov povprečnih letnih donosov delnic, državnih obveznic, zakladnih menic na daljše obdobje. Ker se premije na različne instrumente razlikujejo, ocenjujemo tržno premijo za tveganje kot geometrijsko povprečje teh donosov na daljše preučevano obdobje. Na razvitem ameriškem trgu je na dan 12. maja 2011 po oceni Yahoo Finance povprečni dividendni donos S&P 500 2,1% in rast dividend 7,05%. Tako lahko izračunamo zahtevano stopnjo donosa, katera znaša 9,34%. Če upoštevamo 10 - letno ameriško državno obveznico, potem znaša 3,84%. Tržna premija za tveganje je torej enaka pričakovani donosnosti tržnega premoženja, zmanjšani za netvegano stopnjo donosa. Tržno premijo za tveganje lahko izračunamo kot 9,34% - 3,84%, kar znaša 5,50%. Omenjena tržna premija za tveganje velja za ameriški trg in ne slovenskega. Tržno premijo za tveganje ameriškega trga smo izbrali, ker gre za razvitejši trg in je dobra osnova za nadaljnje izračune. Za dokončne rezultate smo potrebovali tudi vrednost za deželno tveganje in vrednost premije za majhnost podjetja. Za obe spremenljivki smo upoštevali vrednosti, kot ju predvideva program za izračun WACC analize [49]. Na podlagi analize različni obrestnih mer, ki jih nudijo banke, smo ugotovili, da se ta giblje med 6 in 7%. V izračunih smo upoštevali strošek dolga (obrestna mera) 6,25 %. Sliki 7.4 in 7.5 kažeta izračun tehtanega povprečja stroškov kapitala. 77

96 Slika 7.4: Izračuni tehtnega povprečja stroškov kapitala (WACC) Slika 7.5: WACC analiza Iz slike 7.5 je razvidno, da izračunani WACC pri različnih strukturah financiranja odstopajo med seboj. Tudi konveksna oblika dobljenih rezultatov potrjuje pravilnost WACC analize, saj tako teorija kot praksa kažeta, da ima WACC konveksno obliko. Za samofinanciranje je značilno tisto financiranje, ki ga podjetja izvajajo iz lastnih virov sredstev. Pri optimalni strukturi pa je značilno, da posebno pozornost posveti stopnji finančnega vzvoda ter WACC, saj je ob danih investicijah optimalna struktura tista, kjer ima WACC najnižje stroške, saj le tako doseže največjo razliko med donosnostjo in stroški financiranja. Zeleno obarvana vrstica na sliki 7.5 nam pokaže, kakšna je v našem konkretnem primeru optimalna struktura financiranja. 78

97 8 KALKULACIJA INVESTICIJE Z UPORABO DINAMIČNIH METOD Poznamo več različnih metod ocenjevanja investicij. Odločili smo se za dinamično metodo ocenjevanja investicij. Odločili smo se za ocenjevanje na podlagi metode neto sedanje vrednosti (NSV), kjer je potrebno diskontirati prihodnje izdatke in donose na začetni termin, ko nastopijo prvi investicijski izdatki. Na podlagi metode NSV bomo izračunali dobo vračanja. Osnovna značilnost vseh dinamičnih metod je diskontiranje kasnejših donosov na skupni termin, najpogosteje je to trenutek, ko dospeva začetni vložek. Za oceno primernosti projekta ali za primerjavo alternativnih projektov pa potem uporabljamo bodisi absolutne denarne kategorije (neto ali čista sedanja vrednost, letni ekvivalentni donosi) ali pa koeficiente oziroma stopnje (npr. indeks donosnosti, interna stopnja donosa, modificirana interna stopnja donosa) [40]. Primerjali bomo vse stroške, ki jih bomo imeli v tem obdobju pri ogrevanju in pri rabi električne energije. Ker nimamo na razpolago prihodkov s katerimi bi lahko operirali, bomo, da bili izračuni smiselni, naredili sledeče. V izračun bomo vključili stroške, ki bi jih imeli z ogrevanjem z kurilnim oljem in sicer samo za porabo energenta. Strošek olja, ki ga bomo pri ogrevanju s toplotno črpalko prihranili, bomo upoštevali kot donos oziroma prejemek. Ugotovili bomo, če oziroma kdaj se nam investicija povrne. Enako bomo naredili tudi za sončno elektrarno. Za izračun bomo upoštevali trenutne cene energentov, torej električne energije in kurilnega olja. 8.1 Izračun porabe goriva za ogrevanje objekta in sanitarne vode Najprej izvedimo izračun porabe goriva G za ogrevanje objekta in sanitarne vode. Porabo goriva je mogoče izraziti z enačbo (8.1): kjer so: Q G cel H h i k G raba goriva v sezoni (kg), Q cel energija za ogrevanje objekta in sanitarne vode (kwh), (8.1) 79

98 H i kurilnost goriva (kwh/kg), h k izkoristek kotla G 1109, 43 kg (8.2) 11,83 0,9 Raba goriva v sezoni podana s (8.2) je 1109,43 kg. Dobljen rezultat pretvorimo v litre po enačbi (8.3). kjer so: G v G 1000 p G poraba goriva v sezoni (kg), G v poraba goriva v sezoni (l), p gostota kurilnega olja (kg/m³). (8.3) G v 1109, l (8.4) 860 Poraba goriva v sezoni izražena v litrih podana s (8.4) je 1290 litrov Cena za liter kurilnega olja je bila dne ( ) 1,022 EUR. Izračunamo skupne stroške energije za ogrevanje hiše in sanitarne vode. To naredimo tako, da porabo goriva izraženo v litrih pomnožimo s ceno kurilnega olja. Skupni stroški so znašali 1.318,38 EUR, zaokrožimo jih na 1.320,00 EUR. 8.2 Izračun stroškov električne energije Sledi še izračun letnih stroškov dobavljene električne energije za obravnavano stanovanjsko hišo. Do končnega podatka smo prišli s pomočjo specifikacije računa, ki nam ga je posredovalo podjetje Elektro Maribor d.d.. Račun je prikazan na sliki 8.1. Računski podatki so za obračunsko obdobje od do

99 Račun zajema skupno dobavo električne energije za stanovanjsko hišo in bližnje pisarniške prostore, zato smo za natančnejše podatke odšteli stroške, ki so vezani na pisarniško porabo. To smo naredili s pomočjo internega števca električne energije za pisarno. Slika 8.1: Specifikacija računa električne energije Interni števec električne energije za pisarno nam pove, da letna raba električne energije za pisarno znaša 809 kwh, torej 19,01 % celotne letne dobave električne energije. Ker nam zgornji račun prikazuje skupni strošek električne energije za stanovanjsko hišo in pisarno, smo izračunali, kakšen je sorazmerni strošek električne energije samo za stanovanjsko hišo. Cena električne energije vključno z vsemi prispevki in trošarinami znaša 505,919 EUR. Zaokrožimo jo na 506,00 EUR. Skupni letni strošek energentov pri ogrevanju s kurilnim oljem in potrošnjo električne energije znaša 1.826,00 EUR. 81