Koszty dodatkowego ogrzewania z sieci ciepłowniczej. Zapewnienie komfortu w ramach programu „Ciepło przez cały rok”

Również poza sezonem grzewczym występują dni, kiedy temperatura zewnętrzna jest na tyle niska, że w pomieszczeniach może być odczuwalny brak komfortu cieplnego z powodu niedziałania ogrzewania w budynkach zasilanych w ciepło z miejskiej sieci cieplnej. Z tego powodu odbiorcy ciepła w chłodne dni często decydują się na indywidualne dogrzewanie lokali za pomocą kuchenek gazowych, narażając swoje zdrowie na niebezpieczeństwo. Problemu tego nie mają mieszkańcy posiadający indywidualne systemy grzewcze – elektryczne bądź gazowe.

W Krakowie realizowany jest obecnie pilotażowo program „Ciepło przez cały rok” przez firmy: EDF Polska S.A., Miejskie Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej S.A. w Krakowie i CEZ Skawina S.A.

• Węzły cieplne w budynkach zasilanych z miejskiej sieci cieplnej przygotowane są do dostarczania ciepła do mieszkań, szczególnie węzły dwufunkcyjne zasilane z sieci przez cały rok. Umożliwia to zasilanie instalacji centralnego ogrzewania również latem. Dostawa ciepła poza sezonem grzewczym możliwa jest dzięki automatyce pogodowej zainstalowanej w węzłach, która reguluje przepływ w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego.
• Kiedy temperatura osiąga wartość powyżej ustalonej przez odbiorcę, następuje wyłączenie dostawy ciepła, a gdy na zewnątrz robi się zimniej – węzeł automatycznie ponownie rozpoczyna dostawę. Istotną informacją jest, że składowa stała kosztu związana z mocą zamówioną ponoszona jest przez mieszkańców przez cały rok z tytułu zapewnienia dostawy ciepła na potrzeby centralnego ogrzewania.
• Do programu „Ciepło przez cały rok” mogą zostać włączone obiekty wyposażone w węzły cieplne z zainstalowaną automatyką pogodową. Podstawowym wymogiem jest zapewnienie przez dostawcę możliwości dostarczania ciepła do tych budynków przez cały rok.
• Automatyka pogodowa jest realizowana za pomocą regulatora, który w funkcji wartości temperatury zewnętrznej dopasowuje temperaturę zasilania grzejników do żądanej temperatury wewnętrznej, a tym samym ilość ciepła dostarczanego do budynku. Zależności te określone są w tabeli regulacyjnej, nazywanej popularnie tzw. krzywą grzewczą.
• Regulator ma możliwość wyboru krzywej grzewczej, która powinna być dobrana do strat ciepła obiektu. Wybór krzywej grzewczej na regulatorze zdecyduje o tym, jaka temperatura wody zasilającej wszystkie grzejniki w instalacji centralnego ogrzewania pozwoli osiągnąć żądany komfort cieplny w pomieszczeniach.
• Na regulatorze powinna być możliwość ustawienia wartości temperatury, przy której uruchamiane będzie działanie instalacji grzewczej, z możliwością jej korekty po zebraniu doświadczeń z okresu eksploatacji.

Cel i metody

Celem artykułu jest wykazanie, ile dodatkowych godzin grzewczych przybędzie w trakcie roku w porównaniu ze standardowym rokiem grzewczym. A w związku z tym – o ile wzrośnie zapotrzebowanie na ciepło w okresie lata oraz koszty, które dla mieszkańców są równie istotne jak komfort cieplny.

W analizie wykorzystano zależności z normy PN-EN 13790 [1] do obliczania energii użytkowej i końcowej do ogrzewania budynków.

Do obliczeń wykorzystano metodę miesięczną w okresie tradycyjnych miesięcy grzewczych opisaną w normie oraz skorygowaną miesięczną dla okresu letniego.

Norma PN-EN 13790 przewiduje w obliczeniach do ogrzewania stosowanie przerw lub osłabień opartych na godzinowych i tygodniowych schematach. Obliczenia te zawsze odnoszą się do średnich temperatur miesięcznych i wartości promieniowania słonecznego dla danych miesięcy, co obarcza wynik błędem względnym, szczególnie dla miesięcy bliskich początkowi i końcowi sezonu ogrzewczego. Zdaniem autora artykułu wynika to z faktu, że wyniki obliczeń odnoszą się do wartości z okresu całego miesiąca, a nie z powiązania średnich wartości z okresem przyjętym do obliczeń.

Zaproponowana metoda obliczeniowa odnosi się do obliczeń w okresie od maja do września w oparciu o średnie wartości temperatur i natężenia promieniowania słonecznego dla przyjętych temperatur przełączania się regulatora poniżej wartości 12 i 15°C.

• Dla miesięcy letnich obliczono wariantowo średnie wartości temperatur miesięcznych, wykorzystując tylko godzinowe wartości temperatur poniżej powyższych parametrów. Podobnie postąpiono przy obliczeniach wartości natężenia promieniowania słonecznego, sumując wartości godzinowe promieniowania słonecznego z przedziału czasowego poniżej 12 lub 15°C.
• W obliczeniach pominięto udział promieniowania długofalowego, które zmniejsza solarne zyski ciepła, czyli w przypadku tej analizy ma dodatni wpływ na uzyskany wynik.
• Uwzględnienie udziału promieniowania długofalowego powoduje zmniejszenie zysków od nasłonecznienia w miesiącach letnich o 1,13%, a w miesiącach zimowych zwiększenie o 2,2% dla analizowanego budynku A na elewacji południowej i odpowiednio o 1 i 3% na elewacji północnej.
• Jako standardowy (STD) przyjęto rok, dla którego liczbę dni określono w rozporządzeniu w sprawie zakresu i form audytu energetycznego [2] – dla Krakowa są to 222 dni.
• Obliczenia zapotrzebowania na ciepło dla kilku budynków w miesiącach letnich (maj–wrzesień) wykonano w oparciu o metodę miesięczną, dla której wyznaczono średnie wartości temperatury i sumy wartości promieniowania słonecznego dla przedziału czasowego obejmującego wariantowo temperatury poniżej 12 lub 15°C, bazując na wartościach temperatur średniorocznych godzinowych dla typowego roku meteorologicznego na podstawie danych opublikowanych na stronie Ministerstwa Infrastruktury i Budownictwa [5].
• Do obliczeń wykorzystano dane z plików zawierających typowe lata meteorologiczne oraz opracowane na ich podstawie statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski. Zostały one przygotowane na potrzeby obliczeń energetycznych w budownictwie i mogą być wykorzystane w obliczeniach charakterystyk energetycznych budynków/lokali mieszkalnych i przy sporządzaniu świadectw energetycznych budynków/lokali mieszkalnych, w audytingu energetycznym oraz w pracach projektowych i symulacjach energetycznych budynków/lokali mieszkalnych wykonywanych zawodowo lub w pracach naukowo-badawczych.
• W analizie nie uwzględniono temperatur przekraczających przyjęte do analizy (12 lub 15°C) w okresie tradycyjnego sezonu grzewczego (październik–kwiecień).

Druga zastosowana metoda oparta jest na pomiarach zużycia ciepła przez cztery budynki objęte programem „Ciepło przez cały rok” w roku 2016.

Wartości pomiarowe przeliczono, bazując na stopniodniach, na wartości standardowego sezonu.

Zużycie ciepła w miesiącach letnich odniesiono do całkowitego zapotrzebowania na ciepło dla okresu od października do kwietnia rozpatrywanego roku. Dla miesięcy letnich obliczono również koszt ogrzewania w oparciu o ciepło z miejskiej sieci cieplnej i porównano z kosztami, które byłyby ponoszone w przypadku ogrzewania gazem ziemnym lub energią elektryczną.

Wyniki

Metoda obliczeniowa

Analizie opartej na obliczeniach teoretycznych poddano siedem budynków (A1, A2, B, C, D, E, F) charakteryzujących się różnymi wskaźnikami zapotrzebowania na energię cieplną, przedstawionymi w tab. 1.

A1 to budynek przed termomodernizacją, a A2 – po jej przeprowadzeniu.

Opracowanie danych wyjściowych do analizy

Z uwagi na przyjęty algorytm obliczeń dane godzinowe ze strony [5] poddano odpowiedniej obróbce koniecznej do dalszych obliczeń:

• wartości pogrupowano według miesięcy i uszeregowano rosnąco według temperatury DBT suchego termometru,
• w poszczególnych miesiącach letnich usunięto temperatury powyżej 12 lub 15°C w celu umożliwienia wariantowego wykonania obliczeń. Równocześnie dla tych temperatur z bazy danych usunięto wartości średniego promieniowania słonecznego,
• obliczono liczbę godzin występowania w poszczególnych letnich miesiącach temperatur poniżej 12 lub 15°C (tab. 2),
• obliczono średnie wartości temperatur poniżej 12 i 15°C,
• obliczono sumy wartości promieniowania słonecznego w miesiącach letnich,
• wartości te posłużyły do obliczania miesięcznego całkowitego zapotrzebowania na ciepło użytkowe, skorygowanego dla temperatur poniżej 12 lub 15°C.

Obliczenia wykonano według następującego algorytmu.

Okres zimowy:

• — do analizy wybrano budynki mieszkalne wielorodzinne A–F o różnych wskaźnikach EK, w tym jeden wielorodzinny przed (A1) i po termomodernizacji (A2),— teoretyczne wartości obliczeniowe energii końcowej dla tych budynków w zimowym okresie ogrzewania zostały porównane z pomiarami zużycia ciepła w celu weryfikacji przyjętych składowych danych obliczeniowych bilansu ciepła,— obliczenia dla okresu zimowego wykonano w oparciu o średnie temperatury miesięczne i wartości promieniowania słonecznego dla Krakowa na podstawie danych z [5],— obliczenia energii użytkowej i końcowej wykonano wg PN-EN ISO 13790 metodą miesięczną.

Okres letni:

• — wariantowo obliczono dla temperatury poniżej 15 i 12°C liczbę godzin, średnie temperatury i sumy wartości promieniowania słonecznego, eliminując odpowiednio temperatury i średnie wartości promieniowania słonecznego powyżej 15 i 12°C,— obliczono zyski ciepła od nasłonecznienia krótkofalowego, pomijając promieniowanie długofalowe w kierunku nieboskłonu,— obliczono miesięczne całkowite zapotrzebowanie na ciepło przenoszone przez przenikanie i całkowite przenoszenie ciepła przez wentylację,— obliczenia energii użytkowej i końcowej przeprowadzono wg PN-EN ISO 13790 metodą miesięczną,— obliczenia wykonano dla dwóch przypadków załączania się regulatora w węźle cieplnym – 12 i 15°C.

Wyniki obliczeń procentowego wzrostu zapotrzebowania na energię końcową dla rozpatrywanych budynków w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego 12 lub 15°C, przy której przełącza się regulator pogodowy, zamieszczono na rys. 1.

Analizując wartości zamieszczone w tab. 2, można zauważyć, że liczba godzin przełączania się regulatora przy temperaturze 15°C jest większa niż przy 12°C. Sugeruje to w pierwszym momencie odpowiednio większe zużycie ciepła w przypadku załączania się regulatora pogodowego przy temperaturze 15°C. Tak się jednak nie dzieje, co można zauważyć na rys. 1. Powodem jest algorytm zgodny z PN-EN 13790 [1], według którego wykonano obliczenia energii użytkowej.

Wartość miesięcznego zapotrzebowania na ciepło użytkowe do ogrzewania i wentylacji budynku lub lokalu mieszkalnego Q_H,nd,n stanowi różnicę pomiędzy stratami ciepła przez przenikanie i wentylację w okresie miesięcznym Q_H,ht a miesięcznymi zyskami ciepła wewnętrznymi i od słońca Q_H,gn zredukowanymi za pomocą wskaźnika efektywności wykorzystania zysków ciepła w trybie ogrzewania h_H,gn. Większa wartość zysków słonecznych w sytuacji załączania się regulatora pogodowego ma duży wpływ na wynik obliczeń, pomniejszając wielkość energii użytkowej przy temperaturze załączania się regulatora 15°C.

Czytaj też: Modernizacja sprężarkowej maszynowni chłodniczej na sorpcyjną zasilaną z miejskiej sieci ciepłowniczej >>>

Wyniki

Metoda zużyciowa

Jak wspomniano, w ramach programu pilotażowego w kilku budynkach w Krakowie w 2016 roku wdrożono program „Ciepło przez cały rok” (w innych budynkach niż analizowane w metodzie obliczeniowej).

Analizie poddano wytypowane cztery obiekty, dla których uzyskano wartości miesięcznego zużycia ciepła z roku 2016, gdy działał program. Nie były niestety dostępne autorowi informacje na temat pól powierzchni i liczby mieszkań mogące służyć do obliczenia wartości wskaźników. Na rys. 2 pokazano, jak zmieniały się stopniodni w Krakowie w latach 1997–2016.

W celu uwzględnienia zmienności temperatury zewnętrznej w analizowanym roku dokonano przeliczenia wartości energii końcowej wykorzystywanej do celów grzewczych na warunki standardowe przy wykorzystaniu stopniodni rzeczywistych i standardowych. Energię cieplną dla celów c.o., obliczoną na podstawie pomiarów zużycia ciepła, przeliczono na wartość dla typowego roku meteorologicznego, aby uniezależnić wynik pomiaru od zmian pogodowych. Przeliczenia dokonano zgodnie z poniższym wzorem:

gdzie:

Q_K,tr – zużycie ciepła przeliczone dla typowego roku meteorologicznego,

Q_x – zużycie ciepła wyliczone z pomiarów ilości gazu w sezonie grzewczym: styczeń 2014–grudzień 2015,

S_dtr – liczba stopniodni w typowym roku meteorologicznym dla temperatury wewnętrznej 20°C,

S_d – liczba stopniodni rzeczywistych w danym roku dla temperatury wewnętrznej 20°C.

W tab. 3 zamieszczono obliczone wartości stopniodni dla Krakowa, roku 2016, temperatury wewnętrznej two 20°C i średnich temperatur zewnętrznych w poszczególnych miesiącach – te(m).

Do obliczenia liczby stopniodni rzeczywistych dla danego roku wykorzystano temperatury wewnętrzne oraz średnie rzeczywiste zarejestrowane temperatury w poszczególnych miesiącach roku 2016.

W tab. 4 zamieszczono dane dotyczące zużycia ciepła przez budynki P1–P4, obliczone na podstawie stosunku wartości referencyjnej stopniodni do liczby stopniodni rzeczywistych przy różnych temperaturach przełączania się regulatora w miesiącach letnich, ustawionych na regulatorze.

Zużycie ciepła w miesiącach letnich roku 2016 odniesiono do zużycia ciepła w miesiącach tradycyjnego sezonu grzewczego w tym samym roku po przeliczeniu na standardowy sezon grzewczy.

Procentowe zwiększenie ilości zużytego ciepła w miesiącach letnich w odniesieniu do zużycia ciepła w tradycyjnym sezonie grzewczym na podstawie pomiarów przy różnych temperaturach załączania się regulatora w budynkach P1–P4 przedstawiono w tab. 5.

Wartości procentowego zwiększenia ilości zużytego ciepła w miesiącach letnich z tab. 5 uzyskane metodą zużyciową są porównywalne z wartościami obliczonymi analitycznie dla innych budynków. Największe różnice występują w przypadku budynku P3, w którym regulator zaprogramowano na temperaturę przełączania się 8°C.

Czytaj też: Analiza pracy sieci ciepłowniczej po termomodernizacji odbiorów ciepła >>>

Obliczenie kosztów różnych mediów na potrzeby ogrzewania przy zastosowaniu programu „Ciepło przez cały rok”

Dla porównania kosztów w miesiącach letnich przy zastosowaniu różnych mediów (ciepło sieciowe, podgrzewanie kuchenką gazową, grzejnik elektryczny) wykonano obliczenia dla aktualnych cen brutto ciepła (lub ich przeliczników) – tab. 6.

Stałej ceny składowej dla ciepła z sieci nie brano pod uwagę, ponieważ i tak jest ona ponoszona przez mieszkańców przez cały rok ze względu na dostarczanie ciepła w tradycyjnym sezonie grzewczym.

W przypadku wykorzystania kuchenki gazowej do interwencyjnego ogrzewania przyjęto, że ciepło wykorzystywane jest w 70%.

Sprawność regulacji i wykorzystania przy zasilaniu z miejskiej sieci ciepłowniczej lub energii elektrycznej jest realizowana przez automatykę zaworów termostatycznych i została uwzględniona w obliczeniach energii końcowej.

Obliczenia zostaną zweryfikowane w trakcie analizy zużywania ciepła przez obiekty, które już zostały włączone do programu (potrzebne będą dane dotyczące okresu przed przystąpieniem i po nim dla wybranych obiektów) - tab. 7 i tab. 8.

Wnioski

Według prawa [4] sezon grzewczy to „okres, w którym warunki atmosferyczne powodują konieczność ciągłego dostarczania ciepła w celu ogrzewania obiektów”. Nie mówi się jednak ani o terminie jego rozpoczęcia, ani zakończenia. Jak wynika z powyższego, sezon grzewczy jako czas określony datami to mit. Zgodnie z zapisem tego rozporządzenia powinien trwać on tyle, ile jest konieczne ze względu na warunki atmosferyczne. Może to być zatem i cały rok, a próby określenia go poprzez konkretne daty nie mają absolutnie żadnego oparcia w przepisach prawa. W praktyce termin rozpoczęcia i zakończenia sezonu grzewczego określany jest w umowie pomiędzy przedsiębiorstwem obrotu ciepłem a odbiorcą ciepła i wiąże się z odpowiednimi opłatami i jednokrotnym włączeniem i wyłączeniem zasilania węzła cieplnego.

Norma PN-EN 12831:2006 podaje wartości temperatur, jakie powinny obowiązywać w pomieszczeniach. W przypadku zwykłych pomieszczeń mieszkalnych jest to 20°C, a dla łazienki 24°C. Autor proponuje zastosować temperaturę 15°C jako wyjściową do stosowania w okresie lata na regulatorze i załączania węzła cieplnego. Ze względu na wiele składników mających wpływ na dyskomfort w pomieszczeniach z powodu obniżania się temperatury zewnętrznej należy mieć na uwagę korektę tej wartości po wyciągnięciu wniosków z eksploatacji.

Podsumowanie

Węzły cieplne w budynkach zasilanych z miejskiej sieci cieplnej są przygotowane do stałego dostarczania ciepła do mieszkań, szczególnie węzły dwufunkcyjne zasilane przez cały rok z miejskiej sieci cieplnej. Nie powinny zatem wystąpić techniczne problemy z wdrożeniem całorocznego ogrzewania w ramach programu „Ciepło przez cały rok”.

Obecnie grzanie występuje przez ok. 61% czasu przewidzianego dla standardowego systemu grzewczego, w przypadku Krakowa są to 222 dni.

Przy zastosowaniu ogrzewania w oparciu o regulację pogodową:

• dodatkowe grzanie występuje tylko przez 1676 godzin przy temperaturze zewnętrznej niższej niż 15°C, co stanowi 31% w odniesieniu do standardowego sezonu grzewczego,
• dodatkowe grzanie występuje tylko przez 798 godzin przy temperaturze zewnętrznej niższej niż 12°C, co stanowi 15% w odniesieniu do standardowego sezonu grzewczego,
• stosując program „Ciepło przez cały rok”, uzyskuje się wzrost kosztów ogrzewania dla budynku A, jeżeli regulator działa poniżej temperatury 15°C, wynikający ze zwiększonego zużycia ciepła: o 4,3% dla analizowanego budynku przed termomodernizacją i 2,08% po termomodernizacji – opłata stała jest i tak ponoszona przez cały rok,
• stosując program „Ciepło przez cały rok”, uzyskuje się wzrost kosztów ogrzewania dla budynku A, jeżeli regulator działa poniżej temperatury 12°C, wynikający ze zwiększonego zużycia ciepła: o 5,59% dla stanu istniejącego (A1) i 4,65% po termomodernizacji (A2) – opłata stała jest i tak ponoszona jest przez cały rok,
• wyniki obliczeń uzyskane przy wykorzystaniu metody zużyciowej dla czterech budynków objętych programem pilotażowym „Ciepło przez cały rok” potwierdziły wyniki uzyskane metodą obliczeniową dla siedmiu innych budynków,
• program „Ciepło przez cały rok” z pewnością będzie atrakcyjny dla mieszkańców z uwagi na dotrzymanie warunków komfortu w pomieszczeniach nie tylko w tradycyjnych miesiącach zimowych,
• dla pozostałych budynków średni wzrost zapotrzebowania na ciepło, a więc i kosztów przy włączaniu się regulatora przy temperaturze 12°C wynosi 4,56%, a przy temperaturze 15°C – 3,36%. Nie powinno to być dużym dodatkowym obciążeniem dla mieszkańców przy jednoczesnym pełnym komforcie przez cały rok,
• na wzrost zapotrzebowania na ciepło w okresie lata wpływają: izolacyjność przegród zewnętrznych, zyski solarne związane z lokalizacją ścian przeszklonych oraz pojemność cieplna akumulująca ciepło,
• w przypadku korzystania z ciepła z miejskiej sieci cieplnej średni koszt ogrzewania w miesiącach letnich przypadający na jedno mieszkanie wynosić będzie około 20–40 zł/mieszkanie.

Literatura

1. PN-EN ISO 13790:2008 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 marca 2009 r. w sprawie szczegółowego zakresu i form audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a także algorytmu oceny opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego (DzU nr 43/2009, poz. 346, z późn. zm.).
3. Narowski P.G., Dane klimatyczne do obliczeń energetycznych w budownictwie, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 11/2006.
4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 15 stycznia 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemów ciepłowniczych (DzU nr 16/2007, poz. 92).
5. http://mib.gov.pl/2-Wskazniki_emisji_wartosci_opalowe_paliwa.htm.

Czytaj też: Możliwości obniżenia kosztów ciepła z kotłowni zasilanej gazem Cz. 5. Osiedlowa sieć ciepłownicza – wariant podstawowy >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!