Analiza techniczno-ekonomiczna wyboru pomp ciepła dla zaspokojenia potrzeb cieplnych w budynku jednorodzinnym

Wymagania prawne w Polsce i w krajach Unii Europejskiej są ukierunkowane na coraz większe wykorzystywanie energii ze źródeł odnawialnych. Dyrektywy UE określają zasady, zgodnie z którymi państwa członkowskie muszą zapewnić osiągnięcie co najmniej 20-proc. udziału energii odnawialnej w zużyciu energii ogółem w UE do 2020 roku [1, 2].

Z punktu widzenia inwestora najważniejszą kwestią jest wybór takiego sposobu zasilania budynku w ciepło oraz podgrzewania ciepłej wody użytkowej, który zapewni najniższe koszty eksploatacyjne.

Do podjęcia właściwej decyzji konieczne jest przeprowadzenie szczegółowej analizy kosztów inwestycyjnych, przyszłej eksploatacji, aspektów ochrony środowiska oraz możliwości lokalizacyjnych dla danego źródła ciepła z uwzględnieniem magazynu paliwa. W artykule przedstawiono analizę zastosowania pomp ciepła do ogrzewania budynku jednorodzinnego.

Opis analizowanego budynku

Jest to budynek wolnostojący, parterowy i niepodpiwniczony. Wykonany został w technologii tradycyjnej, jest murowany i bardzo dobrze izolowany cieplnie.

• Powierzchnia użytkowa ogrzewana wynosi 162,5 m², a projektowe obciążenie cieplne 8,9 kW.
• Budynek zamieszkują trzy osoby.
• Przewidziane jest w nim ogrzewanie podłogowe o parametrach czynnika grzewczego 35/28°C.
• Miejscowość nie ma dostępu do gazu ziemnego sieciowego.
• Budynek zlokalizowany jest w IV strefie klimatycznej.

Analiza ma na celu pokazanie rozwiązań technicznych zastosowania w budynku jednorodzinnym pomp ciepła typu solanka/woda i powietrznej oraz wybór rozwiązania najkorzystniejszego pod względem nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacji.

Opis analizowanych rozwiązań technicznych wykorzystujących pompy ciepła

Analizie techniczno-ekonomicznej poddano trzy rozwiązania wykorzystujące pompy ciepła.

• I wariant – pompa ciepła typu solanka/woda z wymiennikiem gruntowym poziomym w układzie monowalentnym;
• II wariant – pompa ciepła typu solanka/woda z wymiennikiem gruntowym pionowym w układzie monowalentnym;
• III wariant – pompa ciepła powietrzna w układzie biwalentnym alternatywnym, współpracująca z kominkiem z płaszczem wodnym.

Przy założeniu, że zapotrzebowanie na moc cieplną na cele c.w.u. we wszystkich analizowanych wariantach pokrywane będzie przez pompę ciepła, która realizuje priorytetowy podgrzew c.w.u., wykonano obliczenia w celu doboru pozostałych urządzeń technologicznych i zabezpieczających.

Wariant I: pompa ciepła typu solanka/woda z wymiennikiem gruntowym poziomym

Na rys. 1 przedstawiono rozwiązanie technologiczne zakładające wykorzystanie pompy ciepła typu solanka/woda pracującej w układzie monowalentnym z wymiennikiem gruntowym poziomym do pokrycia zapotrzebowania na ciepło na cele c.o. i przygotowania c.w.u(...)

W wariancie tym założono system monowalentny, gdzie pompa ciepła pokrywa w 100% zapotrzebowanie na energię cieplną, w całym zakresie przyjętych do obliczeń temperatur zewnętrznych i wewnętrznych.

• Dla zabezpieczenia zapotrzebowania na ciepło budynku i potrzeby podgrzewu ciepłej wody użytkowej dobrano pompę ciepła typu BWS-1-10 o wydajności cieplnej 10,8 kW i wydajności chłodniczej 8,5 kW.

• Zaprojektowana pompa ciepła typu solanka/woda zasilana jest z dolnego źródła – gruntu poprzez wymiennik gruntowy poziomy. Taki wymiennik ciepła jest jedną z najprostszych form wykorzystywania energii zgromadzonej w gruncie.

Zmiany temperatury warstw przypowierzchniowych mają istotny wpływ na wielkość strumienia cieplnego, a głębokość i struktura gruntu na pozyskaną ilość ciepła. Stąd obliczenia doboru wymiennika gruntowego poziomego przeprowadzono, zakładając, że wydajność dolnego źródła wynosi średnio 17 W/m² dla warstwy gruntu zwięzłego, wilgotnego, przy pracy sprężarki T_sp = 2400 h/rok (ogrzewanie i podgrzew c.w.u.) [3, 4].

• W celu zapewnienia wymaganej mocy dolnego źródła ciepła należy wykonać poziomy wymiennik gruntowy z rur polietylenowych o średnicy 32×3 mm (rury HDPE 100 RC PN 16 32×3).

• Wymiennik zaprojektowano w postaci pięciu obwodów po 125 m każdy, odstęp między przewodami wynosi 0,8 m.

• Wymiennik należy ułożyć na głębokości 1,9 m, poniżej strefy przemarzania. Wymagana minimalna powierzchnia kolektora poziomego wynosi 500 m².

• Zaprojektowano studzienkę zbiorczą z rozdzielaczem pięciosekcyjnym łączącym wszystkie obiegi, w wersji z rotametrami. Do połączenia rozdzielacza z pompą ciepła dobrano rury HDPE 100 RC PN 16 40×3,7.

• Po przeprowadzeniu próby szczelności całą wewnętrzną instalację dolnego źródła należy zaizolować otuliną o grubości 19 mm typu AC.

• Po wykonaniu wszystkich robót ziemnych i instalacyjnych dolne źródło będzie wypełnione płynem termalnym na bazie glikolu propylenowego o stężeniu 40%.

• Parametry zastosowanego płynu: temperatura krystalizacji –15°C, temperatura wrzenia 103°C, pH 8,0–9,5, ciężar właściwy 1,02 g/cm³, lepkość (20°C) 3,15 mPa · s.

Dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło na potrzeby przygotowania c.w.u. dobrano zasobnik ciepłej wody SEW-1W-300 o pojemności 288 dm³. Po stronie dolnego źródła dobrano naczynie wzbiorcze typu S 12 o pojemności 12 litrów. Zawór bezpieczeństwa o średnicy 15 mm i ciśnieniu otwarcia 3 bary jest fabrycznie na wyposażeniu pompy ciepła.

Przy projektowaniu wymiennika gruntowego poziomego należy przestrzegać zachowania wymaganych odległości pomiędzy przewodami [3] i prawidłowego doboru powierzchni wymiennika, tak żeby w okresie wiosenno-letnim grunt mógł się całkowicie zregenerować.

Na podstawie przeprowadzonych badań eksploatacyjnych kilkuletniej pracy wymiennika gruntowego poziomego [4], przy stosunkowo małej powierzchni czynnej dolnego źródła ciepła, wynoszącej 253 m², w stosunku do potrzeb grzewczych budynku (obciążenie cieplne 9 kW) i zbyt małych odstępach między sekcjami wymiennika spiralnego, wynoszących 0,1 m, zaobserwowano coroczne wychładzanie się gruntu dolnego źródła ciepła na głębokości 1,9 m, spowodowane pracą pompy ciepła.

Praca gruntowego poziomego wymiennika ciepła wpłynęła na okresową zmianę parametrów agrotermicznych gleby.

Dla badanego przypadku opóźnienie okresu wegetacji nad poziomym wymiennikiem pompy ciepła wynosiło około dwa tygodnie i było spowodowane późniejszym rozmarzaniem gruntu zaobserwowanym na poziomie 0,05 m [4].

Wariant II: pompa ciepła solanka/woda z wymiennikiem gruntowym pionowym

W wariancie tym założono system pracy pompy ciepła monowalentny w całym zakresie przyjętych do obliczeń temperatur zewnętrznych. Dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło budynku i podgrzewu ciepłej wody użytkowej dobrano pompę ciepła typu BWS-1-10 o wydajności cieplnej 10,8 kW i wydajności chłodniczej 8,5 kW. Zaprojektowana pompa ciepła typu solanka/woda zasilana jest z dolnego źródła – gruntu poprzez wymiennik gruntowy pionowy.

Obliczenia doboru sondy gruntowej przeprowadzono, zakładając, że podłożem jest grunt zwięzły, wilgotny i że wydajność dolnego źródła wynosi 40 W/m długości sondy przy pracy sprężarki T_sp = 2400 h/rok (ogrzewanie i podgrzew c.w.u.) [3, 5].

• W celu zapewnienia wymaganej mocy dolnego źródła ciepła należy wykonać dwa odwierty pionowe o głębokości 100 m każdy, założono odstęp między sondami gruntowymi 10 m.
• Przyjęto sondy pionowe wykonane z polietylenu sieciowanego o średnicy 32×3 mm typu Geo DWD/FF zakończone głowicą.

Głowica sondy nie ma połączenia zgrzewanego, sonda wykonana jest z jednego wygiętego fabrycznie odcinka rury, miejsce wygięcia umieszczone jest w osłonie z żywicy poliestrowej wzmacnianej włóknem szklanym, zakres temperatury użytkowania od –40 do 95°C.

Do wypełnienia otworów wiertniczych dobrano materiał Thermocem o współczynniku przewodzenia ciepła λ ≈ 2,0 W/(mK). Do połączenia obwodów geotermalnych dobrano rozdzielacz dwusekcyjny Rega2 w wersji z rotametrami, do montażu wewnątrz. Instalację dolnego źródła należy wypełnić roztworem glikolu propylenowego o stężeniu odpowiadającym temperaturze krzepnięcia –15°C.

Dla osiągnięcia optymalnej długości cyklu pracy pompy ciepła i związanego z tym lepszego wskaźnika pracy rocznej zastosowano zasobnik buforowy SPU-1-200 o pojemności 200 dm³. Zapewnia on oddzielenie hydrauliczne strumieni objętościowych w obiegu pompy ciepła i obiegu grzewczym, a tym samym bardziej wyrównaną pracę pompy ciepła w momentach, gdy jej moc grzewcza nie jest identyczna z chwilowym zapotrzebowaniem.

Po stronie dolnego źródła dobrano naczynie wzbiorcze typu S 12 o pojemności 12 litrów. Zawór bezpieczeństwa o średnicy 15 mm i ciśnieniu otwarcia 3 bary jest fabrycznie na wyposażeniu pompy ciepła.

Na rys. 2 przedstawiono rozwiązanie technologiczne zakładające wykorzystanie pompy ciepła typu solanka/woda z dolnym źródłem w postaci sond pionowych, pracującej na cele c.o. i c.w.u.

Opis analizowanych rozwiązań technicznych wykorzystujących pompy ciepła

Wariant III: powietrzna pompa ciepła współpracująca z kominkiem z płaszczem wodnym

W wariancie tym dobrano powietrzną pompę ciepła pracującą w układzie biwalentnym alternatywnym z kominkiem z płaszczem wodnym.

• Pompa ciepła pokrywa potrzeby cieplne budynku do temperatury zewnętrznej 0°C (punkt biwalentny), przy temperaturach niższych potrzeby te zaspokaja kominek z płaszczem wodnym.
• Dla zabezpieczenia zapotrzebowania na moc na cele c.o. i c.w.u. przyjęto zewnętrzną pompę ciepła powietrzną typu BWL-1-10-A o wydajności cieplnej 9,6 kW.
• Współczynnik efektywności COP przy parametrach B2/W35 wynosi 3,7.
• Z pompą ciepła współpracuje kominek z płaszczem wodnym o mocy 11,4 kW i sprawności 72,8%.
• Zabezpieczenie kominka przed przyrostem objętości czynnika grzewczego stanowi otwarte naczynie przelewowe z pływakiem o pojemności 25 dm³.
• Dobrano również zbiornik buforowy SPU-1W-200 o pojemności 200 dm³ z wbudowaną dodatkowo wężownicą.
• Dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło na cele c.w.u. dobrano zasobnik ciepłej wody typu SEW-1W-300.

Na rys. 3 przedstawiono rozwiązanie technologiczne zakładające wykorzystanie powietrznej pompy ciepła współpracującej z kominkiem na drewno do pokrycia zapotrzebowania na ciepło na cele c.o. i c.w.u.

Nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacyjne

Nakłady inwestycyjne

Dotyczą wykonania kotłowni z pompą ciepła i nie uwzględniają kosztów wykonania istniejących instalacji wewnętrznych w budynku, tj. c.o. i c.w.u. Nakłady zestawiono w oparciu o aktualne cenniki producentów urządzeń i armatury.

W tab. 1 zestawiono nakłady wariantu I, w tab. 2 – wariantu II, a w tab. 3- – wariantu III. Porównanie całkowitych nakładów inwestycyjnych w analizowanych wariantach w postaci graficznej przedstawiono na rys. 4.

Najniższe nakłady zostaną poniesione przy zastosowaniu pompy powietrznej współpracującej z kominkiem wodnym, czyli w wariancie III, ponieważ nie ponosimy tutaj kosztów związanych z wykonaniem dolnego źródła ciepła w postaci wymiennika gruntowego poziomego lub pionowego. Natomiast najwyższe koszty inwestycyjne zostaną poniesione przy wyborze kotłowni z pompą ciepła z wymiennikiem gruntowym pionowym – wariant II.

Koszty eksploatacyjne

Koszty eksploatacyjne w poszczególnych wariantach stanowią:

• w wariancie I i II koszty zużycia energii elektrycznej na cele c.o. i c.w.u.,
• w wariancie III koszty zużycia energii elektr. i drewna opałowego na cele c.o. i c.w.u.

Do analizy przyjęto następujące ceny brutto paliw, podane przez lokalnych dystrybutorów: drewno (dąb kominkowy) – 200 zł/mp.; energia elektryczna według grupy taryfowej G-11.

Przyjęte średnie sprawności eksploatacyjne:

• pompa ciepła solanka/woda i wymiennik gruntowy poziomy COP = 3,8;
• pompa ciepła solanka/woda i wymiennik gruntowy pionowy COP = 4,0;
• pompa ciepła powietrzna COP = 3,0;
• kominek z płaszczem wodnym opalany drewnem opałowym – 63%.

Wartość opałową drewna przyjęto jako 8350 MJ/m³ (przy obliczeniach dla wariantu III).

Całkowite zużycie energii cieplnej na ogrzanie budynku w obliczeniowym sezonie grzewczym i na cele podgrzewu c.w.u. wynosi 26 970 kWh/rok:

• w wariancie I i II realizowane będzie całkowicie przez pompę ciepła solanka/woda,
• w wariancie III przez pompę ciepła powietrzną w ilości 15 256 kWh/rok i kominek z płaszczem wodnym w ilości 11 715 kWh/rok.

Pompa ciepła powietrzna pokrywać będzie potrzeby cieplne budynku do temperatury 0°C. Wyliczona liczba godzin z temperaturą poniżej 0°C wynosi 1951 h = 82 dni.

Na podstawie obliczeń na rys. 5 zestawiono koszty eksploatacyjne w poszczególnych wariantach.

• Najwyższymi kosztami wyróżnia się wariant III, w którym zastosowano pompę powietrzną współpracującą z kominkiem z płaszczem wodnym opalanym drewnem.
• Koszt energii elektrycznej niezbędnej do zasilania pracy pompy ciepła do temperatury zewnętrznej 0°C wynosi w tym wariancie 3129 zł, a koszt drewna spalonego w kominku 1602 zł, łącznie 4731 zł.
• Najniższe koszty eksploatacyjne ma wariant II z pompą ciepła z wymiennikiem gruntowym z sondami pionowymi – wynoszą one 4115 zł.

Ocena efektywności ekonomicznej trzech wariantów

Opłacalność zastosowania pomp ciepła jako głównego źródła ciepła została wyznaczona poprzez obliczenie czasu zwrotu nakładów inwestycyjnych dla trzech wariantów i porównanie ich z kosztami eksploatacyjnymi, w których uwzględniono tylko przychód wynikający z różnicy rocznych kosztów alternatywnego paliwa i energii zużytej przez poszczególne pompy ciepła, potrzebnej do pokrycia zapotrzebowania na ciepło oraz drewna w przypadku wariantu III.

Prosty okres zwrotu nakładów inwestycyjnych określono z zależności:

(1)

gdzie:

N – łączny nakład inwestycyjny na kotłownię z pompą ciepła, zł;

ΔK – roczne oszczędności w trakcie eksploatacji [zł/rok].

Jako źródło odniesienia przyjęto kotłownię bezobsługową na olej opałowy ze względu na lokalizację inwestycji i brak dostępu do sieci gazowej.

Roczne zapotrzebowanie na olej opałowy w budynku wynosi ok. 3514 dm³/rok. Przy cenie oleju opałowego lekkiego 3,15 zł/dm³ koszty eksploatacyjne ogrzewania budynku i podgrzewu c.w.u. wyniosą 11 069 zł/rok. Otrzymane wyniki przedstawiono na rys. 6.

Najdłuższym okresem zwrotu nakładów inwestycyjnych wyróżnia się wariant II, w którym zastosowano pompę ciepła solanka/woda z wymiennikiem gruntowym pionowym. Najszybciej zwrócą się nakłady na pompę ciepła solanka/woda z wymiennikiem poziomym.

Podsumowanie

Z przeprowadzonej analizy wynika, że nakłady inwestycyjne, jakie trzeba ponieść na źródło ciepła z pompą ciepła, są zróżnicowane w zależności od rodzaju dolnego źródła ciepła: wymiennik gruntowy poziomy, sondy gruntowe pionowe czy powietrze.

Układy te przewyższają ceną nakłady inwestycyjne w przypadku kotłowni na paliwa konwencjonalne:

• wariant I to koszt 72 060 zł,
• wariant II – 83 220 zł,
• wariant III – 66 600 zł.

Mimo wysokich kosztów inwestycyjnych pompa ciepła może być alternatywnym rozwiązaniem tam, gdzie nie ma dostępu do sieci gazowej, a inwestor chciałby mieć kotłownię bezobsługową.

W sensie ekonomicznym inwestycja z pompą ciepła będzie opłacalna wszędzie tam, gdzie mamy drogie paliwo konwencjonalne, np. olej opałowy lekki, gaz płynny czy prąd elektryczny.

W zależności od wybranej technologii czas zwrotu nakładów poszczególnych wariantów wynosi:

• ok. 10,7 lat dla wariantu I,
• 12 lat dla wariantu II
• i 10,5 roku dla wariantu III,

w porównaniu do ogrzewania budynku za pomocą oleju opałowego lekkiego.

Porównując tańsze paliwa, np. węgiel czy drewno opałowe, inwestycja będzie nieopłacalna.

Oszczędności roczne z tytułu zamiany kotłowni węglowej na kotłownię z pompą ciepła będą wynosiły:

• dla wariantu I – 572 zł,
• dla wariantu II – 783 zł,
• dla wariantu III – 167 zł,

przy założeniu, że koszt zakupu tony węgla grubego wynosi 850 zł brutto.

Czas zwrotu inwestycji jest dłuższy niż żywotność pompy ciepła, którą producenci określają na 25 lat. Jednak obowiązujące od stycznia 2017 nowe wymagania warunków technicznych w zakresie energooszczędności dla budynków mieszkalnych jednorodzinnych określają maksymalny poziom energii pierwotnej EP na 95 kWh/(m² rok).

W typowych budynkach jednorodzinnych z wentylacją grawitacyjną nie uda się spełnić tego wymogu, stosując kocioł węglowy.

Przy rosnących cenach paliw konwencjonalnych, np. oleju lekkiego, gazu ziemnego i gazu płynnego, kotłownie wykorzystujące odnawialne źródła energii będą się stawały konkurencyjne w stosunku do tradycyjnie stosowanych rozwiązań.

Uwzględnienie możliwości uzyskania dotacji do instalacji wykorzystujących rozważane koncepcje zaopatrzenia w ciepło powoduje wyrównanie szans i konkurencyjność pod względem wymaganych nakładów inwestycyjnych w stosunku do tradycyjnych, pozornie tańszych źródeł ciepła.

Praca statutowa S/WBiIŚ/4/2014

Literatura

1. Baranowski B., Analiza techniczno-ekonomiczna wyboru pomp ciepła w celu zabezpieczenia potrzeb cieplnych w budynku jednorodzinnym zlokalizowanym w miejscowości Żuki k. Białegostoku, praca dyplomowa, promotor: dr inż. Joanna Piotrowska-Woroniak, Politechnika Białostocka.
2. Purgał P., Orman Ł., Korzystanie z odnawialnych źródeł energii, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2012.
3. Lachman P. red., Wytyczne projektowania, wykonania i odbioru instalacji z pompami ciepła. Cz.1. Dolne źródła do pomp ciepła, PORT PC, Kraków 2013.
4. Piotrowska-Woroniak J., Załuska W., Woroniak G., Analiza pracy poziomego gruntowego wymiennika ciepła współpracującego z pompą ciepła typu solanka-woda, „Instal” nr 10/2015, s. 26–32.
5. Piotrowska-Woroniak J., Badanie rozkładu temperatur w pionowym gruntowym wymienniku ciepła podczas pracy pompy ciepła w północno-wschodniej Polsce, „Instal” nr 6/2016, s. 9–18.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!