Współpraca pomp ciepła z turbinami wiatrowymi i panelami fotowoltaicznymi – aspekty energetyczne i ekonomiczne

Dostępność energii wiatru oraz promieniowania słonecznego w Polsce jest zmienna [1]. Zależy od miejsca jej pozyskiwania w danym regionie Polski, od aktualnej pory roku, dnia i godziny. Badania i analizy [2, 3] pokazują, że aby osiągnąć wymagane przepisami niskie wartości zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną do przygotowania ciepłej wody i ogrzewania budynku mieszkalnego, konieczne jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, zwłaszcza takich jak energia słoneczna i wiatrowa.

Połączenie w jednym budynku instalacji wykorzystujących obydwa te rodzaje OZE zapewnia korzyści wynikające z ich wzajemnej komplementarności.

Jesienią i zimą, kiedy możliwości wykorzystania energii słonecznej znacznie się zmniejszają, turbiny wiatrowe, ze względu na zwykle występującą w tym czasie wietrzną pogodę, wytwarzają znacznie więcej energii elektrycznej niż ogniwa fotowoltaiczne.

Sytuacja zmienia się w miesiącach letnich, kiedy ogniwa generują o wiele więcej energii ze względu na dłuższy dzień i dużo większe natężenie promieniowania słonecznego.

Wykorzystanie turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu oraz ogniw fotowoltaicznych znajduje zastosowanie w budownictwie o niskim zapotrzebowaniu na energię.

Istotą takiego budownictwa [4, 5] są rozwiązania charakteryzujące się znacznym zakresem redukcji potrzeb energetycznych, pokrywanych głównie z wykorzystaniem energii odnawialnej. Dotyczy to zarówno biernego, jak i aktywnego sposobu ich wykorzystania.

Głównym celem budownictwa o niskim zapotrzebowaniu na energię jest osiągnięcie znacznego ograniczenia zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną, niezbędną do pokrywania potrzeb tych budynków związanych przede wszystkim z ogrzewaniem, wentylacją i przygotowaniem ciepłej wody użytkowej.

Prąd elektryczny wytworzony dzięki współpracy turbin wiatrowych i ogniw fotowoltaicznych może w znacznym stopniu pokryć zapotrzebowanie na energię elektryczną niezbędną do napędu sprężarkowej pompy ciepła [6], stanowiącej jedyne źródło zaopatrujące budynek w ciepło. Zastosowanie w takim układzie systemu opartego na sprężarkowej pompie ciepła [7, 8], napędzanej głównie energią elektryczną z odnawialnych źródeł energii, przyczynia się do zmniejszenia zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną i umożliwia osiągnięcie wymaganej niskiej wartości jednostkowego wskaźnika EP_H+W, zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody.

Zgodnie z Warunkami Technicznym 2017 [9] wskaźnik EP_H+W dla budynków wielorodzinnych osiąga wartość graniczną wynoszącą 85 kWh/(m² rok). Natomiast współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla zasilania z sieci elektroenergetycznej wynosi 3,0 [9], wpływając niekorzystnie na ostateczny wynik EP_H+W.

Współpraca instalacji korzystających z odnawialnych źródeł energii wiatrowej i słonecznej z pompą ciepła czerpiącą także z zasobów energii odnawialnej pozwala na znaczne ograniczenie kosztów eksploatacji budynku związanych z ogrzewaniem i przygotowaniem ciepłej wody oraz zmniejszenie wartości jednostkowego wskaźnika EP_H+W przy zachowaniu ekonomicznej opłacalności, w odniesieniu do początkowych nakładów na takie rozwiązanie oraz dbałości o nasze środowisko.

Celem badań opisanych w artykule było przeprowadzenie analiz statycznych, w warunkach ustalonych (na podstawie skryptu obliczeniowego przygotowanego w programie MATLAB), poszczególnych wariantów doboru turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu i wielkości ogniw fotowoltaicznych zasilających sprężarkową pompę ciepła dla niskoenergetycznych budynków mieszkalnych zlokalizowanych w wybranych regionach Polski (rys. 1).

Analizy dotyczyły przede wszystkim oceny wpływu dobranych instalacji wiatrowych i fotowoltaicznych na jakość energetyczną budynku, uwzględniały także aspekty ekonomiczne związane z wybranymi instalacjami.

Założono, że w wyniku zastosowania właściwie dobranych wydajności źródeł korzystających z energii odnawialnej osiągnięte zostaną korzystne efekty w postaci wysokiej jakości energetycznej budynku oraz że taki dobór pozwoli na pokrycie w znacznym zakresie zapotrzebowania pompy na energię elektryczną przy zachowaniu korzystnej efektywności ekonomicznej rozwiązania.

Założenia do analizy

W celu przeprowadzenia analizy niezbędne było przyjęcie kilku założeń zestawionych w tab. 1. Moc dostarczana przez siłownię wiatrową zależy od prędkości wiatru (rys. 2) dla turbiny o pionowej osi obrotu [11] i mocy nominalnej 5 kW osiąganej przy prędkości 12 m/s.

Wyniki analizy lokalizacji odnawialnych źródeł energii w wybranych regionach Polski

Na podstawie danych obejmujących prędkości wiatru z typowych lat meteorologicznych [12, 13, 14, 15] oraz zależności mocy turbiny wiatrowej od prędkości wiatru otrzymano wyniki symulacji generowanej rocznie ilości energii elektrycznej. Została ona obliczona z zależności:

(1)

gdzie:

E_turbiny – sumaryczna ilość energii elektrycznej wytworzonej przez turbiny wiatrowe w ciągu roku, kWh;

P(ws) – moc turbiny wiatrowej przy danej prędkości wiatru w danej godzinie, w ciągu roku, kWh;

n – liczba turbin wiatrowych.

Energia elektryczna generowana przez ogniwa fotowoltaiczne jest zależna od chwilowego całkowitego natężenia promieniowania słonecznego. Na podstawie danych meteorologicznych ilość generowanej energii została obliczona z zależności:

(2)

gdzie:

E_ogniwa – sumaryczna ilość energii elektrycznej wytworzonej przez ogniwa fotowoltaiczne w ciągu roku, kWh;

I(orient) – całkowite natężenie promieniowania słonecznego na powierzchni o orientacji N, NE, E, SE, S, SW, W, NW oraz pochyleniu do poziomu 30°, 45°, 60°, 90° (N_30, NE_30, ...), Wh/m²;

I_teor – natężenie promieniowania słonecznego w warunkach laboratoryjnych – 1000 W/m²;

P_og – moc nominalna ogniwa fotowoltaicznego, W;

A – sumaryczna powierzchnia zespołu kolektorów, m²;

η – współczynnik wydajności – wskaźnik uwzględniający poziom strat energii na instalacji fotowoltaicznej obliczany jako 100-proc. poziom wszystkich strat, uśredniony w skali całego roku obliczeniowego, wynoszący 0,8.

W wyniku przeprowadzonej symulacji i analizy dla wariantu I (turbiny wiatrowe) otrzymano oszacowanie ilości energii wytworzonej przez turbiny w wybranych lokalizacjach. Szczegółowe wyniki symulacji zostały przedstawione na rys. 3, który obrazuje ilość energii elektrycznej wytworzonej przez turbiny wiatrowe (4×5 kW).

Największy efekt energetyczny w postaci rocznie wytworzonej energii elektrycznej oszacowano dla Suwałk, natomiast najmniejszy dla Zakopanego.

Dla wariantu II, w którym zakładano równoległą współpracę turbiny wiatrowej (o mocy znamionowej 2×5 kW) i ogniw fotowoltaicznych (o mocy znamionowej 10 kW), wyniki symulacji ilości energii elektrycznej wytworzonej w poszczególnych miesiącach przedstawiono na rys. 4.

Wyniki te są mniej korzystne w porównaniu do wariantu I, opartego wyłącznie na turbinach wiatrowych. Najkorzystniejszy pod względem wielkości sumaryczny efekt energetyczny współpracy ogniw fotowoltaicznych i turbin wiatrowych ponownie uzyskano dla Suwałk, natomiast najmniejszy dla Zakopanego.

Wariant III to symulacja i ocena ilości energii wytworzonej przez układ ogniw fotowoltaicznych o całkowitej mocy znamionowej 20 kW. Instalacja fotowoltaiczna o założonej mocy nominalnej 20 kW wymaga około 130 m² powierzchni dachu [16].

Na rys. 5 przedstawiono wyniki obliczeń ilości energii elektrycznej wytworzonej przez ogniwa fotowoltaiczne w poszczególnych miesiącach roku referencyjnego.

Największą sumaryczną ilość energii elektrycznej wytworzonej rocznie przez ogniwa fotowoltaiczne uzyskano dla Krakowa i Łodzi, natomiast najmniejszy roczny efekt energetyczny uzyskano w odniesieniu do Suwałk.

Zapotrzebowanie na energię elektryczną do napędu pompy ciepła

Moc grzewcza dostarczana przez pompę ciepła typu powietrze/woda [7, 8, 17, 18] zmienia się wraz z temperaturą zewnętrzną, podobnie jak zapotrzebowanie na energię elektryczną do napędu sprężarkowej pompy ciepła (rys. 6).

Na podstawie danych producenta [17] oraz danych meteorologicznych opracowano wykres zapotrzebowania na energię cieplną do celów grzewczych [10] i przygotowania ciepłej wody użytkowej [19] dla każdej godziny roku referencyjnego. Obliczono je według zależności:

 (3)

gdzie:

Q_CO – zapotrzebowanie na energię do celów grzewczych w ciągu roku, kWh;

θ_śr.pom – średnia temperatura wszystkich pomieszczeń w budynku, °C;

θ_e(i) – temperatura zewnętrzna w danej kolejnej godzinie roku, °C;

Φ_Pr(i)– zapotrzebowanie na energię do pokrycia strat ciepła budynku w danej godzinie roku, kWh;

θ_Pr – projektowa temperatura zewnętrzna zgodna z daną strefą klimatyczną Polski, °C;

Q_SOL(i) – zyski ciepła od nasłonecznienia w danej godzinie roku [20], kWh;

Q_INT(i) – wewnętrzne zyski ciepła w danej godzinie roku [20], kWh.

Na rys. 7 przedstawiono wyniki obliczeń typowego rozbioru c.w.u. w budynku wielorodzinnym zamieszkiwanym przez 20 osób (układ z zasobnikami ciepłej wody, bez pełnej akumulacji ciepła). Temperatura docelowa przygotowania c.w.u. wynosi 55°C.

Zapotrzebowanie na energię do przygotowania c.w.u. obliczono z zależności:

   (4)

gdzie:

Q_CWU – zapotrzebowanie na energię do przygotowania ciepłej wody użytkowej, kWh;

q_CWU(i) – jednostkowe zużycie ciepłej wody w danej godzinie (rys. 7) przez wszystkich mieszkańców budynku, dm³/h;

ρ_5st – gęstość wody w temperaturze 5°C, kg/m³;

C_pw – ciepło właściwe wody, kJ/(kg K);

T_w – docelowa temperatura ciepłej wody użytkowej, °C;

Q_str(i)– strata energii cieplnej zasobników ciepłej wody użytkowej wynikająca z różnicy temperatur między zasobnikami c.w.u. a otoczeniem (20°C), w danej chwili, kWh;

Q_ak – oszczędność energii cieplnej związana z akumulacją ciepła w zasobnikach w ciągu roku, kWh;

Q_cyr – straty ciepła związane z cyrkulacją ciepłej wody użytkowej, wynoszące 25% energii dostarczanej do zasobnika [21], kWh.

Wyniki obrazujące zapotrzebowanie na ciepło do celów grzewczych oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej zestawiono na rys. 8.

W ciągu roku średnie zapotrzebowanie na energię dla analizowanego budynku wynosi 5000 kWh. Poza sezonem grzewczym ciepło jest wykorzystywane do przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Na podstawie otrzymanych wyników miesięcznego zapotrzebowania na ciepło (rys. 8) w okresie jednego roku oraz danych producenta pompy ciepła [17], na rys. 9 porównano miesięczne zapotrzebowanie na energię elektryczną do napędu pompy ciepła w zależności od miesięcznego zapotrzebowania obiektu na energię cieplną.

Zarówno wydajność pompy ciepła, jak i zapotrzebowanie na energię cieplną zależą od temperatury zewnętrznej.

Efektywność systemu z pompą ciepła czerpiącą energię z powietrza zewnętrznego znacząco się obniża wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej.

Całkowite roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną do napędu pompy ciepła zostało obliczone według zależności:

 (5)

gdzie:

Q_EL – zapotrzebowanie na energię elektryczną do napędu pompy ciepła, kWh;

Q_EL(i) – jednostkowe zapotrzebowanie na energię elektryczną do napędu pompy ciepła w zależności od temperatury zewnętrznej, kWh;

n – liczba pomp ciepła.

Na podstawie rys. 8 i rys. 9 można oszacować SPF (sezonowy współczynnik efektywności) pompy ciepła, wynoszący 2,6.

SPF jest uśrednioną wartością współczynników COP ustalonych dla różnych wartości temperatury. Oblicza się go według algorytmu uwzględniającego jej przeciętne zmiany w sezonie grzewczym.

Pokrycie przez OZE zapotrzebowania na energię elektryczną dla pompy ciepła

Na podstawie analizy wyników obliczeń dotyczących wariantowych przypadków (rys. 8 i rys. 9) można stwierdzić, że pozyskiwana z instalacji energia elektryczna nie jest w stanie pokryć w całości zapotrzebowania na energię elektryczną konieczną do napędu sprężarkowej pompy ciepła. Pozwala jednak na ograniczenie zapotrzebowania na energię elektryczną pobieraną z sieci, obniżając tym samym wielkość zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną.

Wielkość rocznego zapotrzebowania na „zewnętrzną” energię elektryczną potrzebną do napędu pompy ciepła zmienia się w zależności od zastosowanego wariantu instalacji energii odnawialnej oraz lokalizacji budynku (rys. 10).

Wyniki analizy i obliczeń statycznych w warunkach ustalonych przeprowadzonych w programie MATLAB jednoznacznie wskazują, że zastosowanie turbin wiatrowych istotnie zmniejsza zapotrzebowanie na energię elektryczną pobieraną z sieci.

Wyjątkiem jest Zakopane, które charakteryzuje się odwrotnym trendem niż w pozostałych przypadkach – zapotrzebowanie jest najmniejsze w przypadku zastosowania wyłącznie ogniw fotowoltaicznych.

Przy zachowaniu wystarczającej efektywności energetycznej w odniesieniu do proponowanych wariantowych rozwiązań systemów energii odnawialnej stopień pokrycia energią odnawialną zapotrzebowania na energię elektryczną do napędu pompy ciepła sięga 58% rocznego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Wyniki obliczeń stopnia pokrycia zapotrzebowania na energię zestawiono na rys. 11.

Wyniki te pozwalają w znacznym stopniu obniżyć zapotrzebowanie na EPH+W w celu dostosowania się do obowiązujących przepisów. Efektywność ekonomiczna jest w tym aspekcie drugorzędna, gdyż w pierwszej kolejności budynek musi spełniać wymagania przepisów.

Wyniki zapotrzebowania na EP_H+W zestawiono w tab. 2.

Wyniki obliczeń wskaźnika zapotrzebowania na energię pierwotną EP_H+W jednoznacznie wskazują, że układ z pompą ciepła zasilany energią elektryczną z sieci elektroenergetycznej bez wspomagania przez odnawialne źródła energii nie spełnia wymagań dotyczących granicznej wartości wskaźnika EP_H+W dla budynków wielorodzinnych.

W roku 2021, gdy zmienią się wymagania co do granicznej wartości wskaźnika EP_H+W, udział energii odnawialnej w całkowitym bilansie energii budynku będzie musiał zostać zwiększony.

• Wyniki podane w tab. 2 wskazują, że zastosowanie turbin wiatrowych (wariant I) pozwala na spełnienie wymagań WT 2017. Wyjątkiem jest Zakopane, charakteryzujące się przeciętnymi warunkami wiatrowymi.
• Współpraca turbin wiatrowych i ogniw fotowoltaicznych (wariant II) również pozwala w zdecydowanej większości na spełnienie wymagań granicznej wartości EP_H+W. Zwiększenie udziału ogniw fotowoltaicznych kosztem turbin wiatrowych wpływa negatywnie na tę wartość.
• Wariant III, czyli zastosowanie ogniw fotowoltaicznych o nominalnej mocy 20 kW, spełnia wymagania co do wartości EP_H+W tylko w Kołobrzegu. W pozostałych lokalizacjach wymagania te nie są spełnione. Ma to związek z zapotrzebowaniem na energię do celów grzewczych (spośród wybranych lokalizacji Kołobrzeg charakteryzuje się najniższym zapotrzebowaniem na energię do celów grzewczych) oraz niską sprawnością ogniw fotowoltaicznych.

Stopień pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną dla pompy ciepła jest wynikiem zależności pomiędzy warunkami meteorologicznymi a lokalizacją danego regionu i wynikającego z tego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania.

Wartość stopnia pokrycia zapotrzebowania na energię obliczono z zależności:

  (6)

gdzie:

SPZnE – stopień pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną dla pompy ciepła, %;

Q_OZE – energia elektryczna generowana przez odnawialne źródła energii, kWh;

Q_C – całkowite zapotrzebowanie na energię elektryczną do napędu pompy ciepła, kWh.

Odnawialne źródła energii pracują w układzie otwartym. Okresowe nadwyżki energii elektrycznej, występujące szczególnie w okresie letnim, są magazynowane w sieci. W przypadku braku produkcji energii w danym okresie jest ona odbierana z sieci.

Analiza ekonomiczna poszczególnych wariantów analizowanych systemów

W celu przeprowadzenia analizy efektywności ekonomicznej poszczególnych rozważanych wariantów oraz porównania ich z przypadkiem źródła ciepła korzystającego wyłącznie z energii nieodnawialnej (przyjęto gaz ziemny) konieczne było przyjęcie dodatkowych założeń, zestawionych w tab. 3.

Gaz ziemny jest wprawdzie paliwem kopalnym, a więc nieodnawialnym, ale jego niekorzystne oddziaływanie na środowisko w wyniku spalania jest ograniczone, gdyż nie występuje w tym wypadku m.in. emisja pyłów oraz benzo(a)pirenu. Zastosowanie gazu ziemnego jako paliwa do celów grzewczych pozwala na łatwe przygotowanie odpowiedniej ilości ciepła przy małym nakładzie pracy człowieka [27].

Z drugiej strony, gaz ziemny charakteryzuje się wyższymi kosztami eksploatacyjnymi niż ogrzewanie paliwami stałymi lub pompą ciepła, ale niższymi niż w przypadku ogrzewania energią elektryczną i olejem opałowym.

Ilość spalanego paliwa zależy również od sprawności całego systemu ogrzewania i przygotowania ciepła. Najwyższą sprawnością charakteryzują się kondensacyjne kotły gazowe, które odbierają dodatkowo ciepło kondensacji pary wodnej ze spalin [28].

Ilość spalanego paliwa gazowego w ciągu roku obliczono z zależności:

 (7)

gdzie:

V_GAZU – ilość spalanego gazu w danym okresie, m³;

E_C – zapotrzebowanie na energię do celów grzewczych i ciepłej wody użytkowej, kWh;

W – średnia wartość opałowa gazu typu E [24], 35,5 MJ/m³;

η – sprawność całkowita systemu uwzględniająca sprawność wytwarzania ciepła z nośnika energii, sprawność akumulacji ciepła w zasobnikach c.w.u. oraz sposób dystrybucji z uwzględnieniem cyrkulacji c.w.u., wynosząca 0,52 [20].

Analizę ekonomiczną przeprowadzono dla dwóch skrajnych regionów zlokalizowanych w I i V strefie klimatycznej Polski.

Na rys. 12 przedstawiono miesięczne zużycie gazu dla Kołobrzegu i Zakopanego w budynku o analizowanych cechach.

Na podstawie danych zawartych na rys. 9 i rys. 12 przeprowadzono analizę ekonomiczną rozważanych wariantów wykorzystania energii odnawialnej dla analizowanego budynku zlokalizowanego w Kołobrzegu i Zakopanem. Uwzględniono koszty eksploatacyjne wynikające z rocznego kosztu paliwa gazowego oraz nakłady inwestycyjne. Jako czas życia projektu przyjęto 15 lat, kierując się okresem gwarancji udzielanym przez wytwórców ogniw fotowoltaicznych z uwzględnieniem dodatkowych 5 lat po gwarancji.

Założono, że jednostkowy koszt energii elektrycznej za kWh oraz paliwa gazowego za 1 m³ będzie się zwiększał o 1% w stosunku do roku poprzedniego.

Nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacyjne w analizowanym okresie, przedstawione na rys. 13 i rys. 14, zostały obliczone według zależności:

 (8)

gdzie:

KE(i+1)– koszty eksploatacyjne danego systemu w następnym roku, zł/rok;

KE(i)– koszty eksploatacyjne danego systemu w danym roku, zł/rok;

i – przyjęty czas analizy, i ∈ <1,15>.

  (9)

gdzie:

K_SYS(i) – koszty inwestycyjne i eksploatacyjne w danym roku analizy, zł;

KI_SYS – koszty inwestycyjne analizowanego wariantu, zł;K

E_SER – koszty serwisowe (roczne) analizowanego wariantu, zł;

KE_SELL(i) – przychód ze sprzedaży energii elektrycznej do sieci w danym roku analizy, zł;

KE(1) – koszty eksploatacyjne w pierwszym roku analizy, zł;

i – przyjęty czas analizy, i ∈ <1,15>.

Podsumowanie analizy ekonomicznej stanowi tab. 4, w której zestawiono wartość SPBT (wyrażoną w latach), czyli prosty czas zwrotu, rozumiany jako stosunek nakładów inwestycyjnych do wartości rocznych korzyści pomniejszonych o koszty serwisowania instalacji (wartość uśredniona z 15 lat).

Analiza ekonomiczna nie uwzględnia dotacji, np. z białych certyfikatów, które w znaczącym stopniu mogłyby poprawić efekt ekonomiczny (w szczególności w przypadku turbin wiatrowych).

Najkorzystniejsze efekty ekonomiczne odnotowano dla wariantu III, tj. systemu opartego na współpracy pompy ciepła z ogniwami fotowoltaicznymi. Dla wariantu tego okres zwrotu wynosi od 7 do 8 lat.

Wariant I, oparty na współpracy pompy ciepła z turbinami wiatrowymi, jest poza zakresem opłacalności ze względu na bardzo duże koszty inwestycyjne oraz niewspółmierną do poniesionych kosztów produkcję energii elektrycznej pochodzącej z turbin wiatrowych.

Podsumowanie

• Artykuł przedstawia wyniki statycznej analizy przypadku w warunkach ustalonych, pozwalających na ocenę efektów energetycznych i ekonomicznych zastosowania turbin wiatrowych oraz ogniw fotowoltaicznych w układzie źródła ciepła w postaci powietrznej pompy ciepła typu powietrze/woda na przykładzie wielorodzinnego budynku mieszkalnego.
• Do analizy wykorzystano skrypt obliczeniowy napisany w programie MATLAB oraz dane meteorologiczne (rok referencyjny) dla wybranych miast polskich. Wyniki analizy pozwalają na wysunięcie kilku wniosków.
• Najkorzystniejsze warunki dla lokalizacji turbin wiatrowych spośród wybranych do badań regionów ma północno-wschodnia część Polski. W przypadku ogniw fotowoltaicznych jest to Polska centralna i południowa.
• Najkorzystniejszy efekt energetyczny pod względem ilości pozyskanej energii zapewnia wariant I, oparty na współpracy pompy ciepła z turbinami wiatrowymi. Jednak z drugiej strony wariant ten wiąże się z niekorzystnym efektem ekonomicznym.
• Zastosowanie równoległej współpracy ogniw fotowoltaicznych i turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu zapewnia korzystniejsze rezultaty w postaci ilości pozyskiwanej energii względem wariantu opartego wyłącznie na ogniwach fotowoltaicznych. Wyjątkiem jest tutaj Zakopane, które charakteryzuje się odwrotnymi wynikami.
• Najlepszy efekt ekonomiczny uzyskano dla wariantu III, tj. współpracy pompy ciepła z ogniwami fotowoltaicznymi, przy którym inwestycja zwraca się po ok. 8 latach użytkowania.
• Porównanie systemu z pompą ciepła typu powietrze/woda wspomaganą instalacjami energii odnawialnej z tradycyjnym źródłem w postaci kondensacyjnego kotła gazowego (rys. 13 i rys. 14) jednoznacznie wskazuje na środowiskowe i ekonomiczne zalety zastosowania systemów z pompą ciepła (wariant II i III).
• Na podstawie przyjętych założeń początkowych dla analizowanego przypadku budynku o niskim zapotrzebowaniu na energię instalacje odnawialnych źródeł energii o nominalnej mocy 20 kW są w stanie rocznie pokryć do 58% całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną do napędu sprężarkowej pompy ciepła (w zależności od wariantu).
• Wyniki obliczeń wskaźnika zapotrzebowania na energię pierwotną EP_H+W (tab. 2) jednoznacznie wskazują, że układ z pompą ciepła zasilany energią elektryczną z sieci elektroenergetycznej bez wspomagania przez odnawialne źródła energii nie spełnia wymagań dotyczących granicznej wartości wskaźnika EP_H+W dla budynków wielorodzinnych.
• Wyniki obliczeń granicznej wartości EP_H+W dla wariantu I pozwalają na spełnienie wymagań obowiązujących przepisów. Wyjątkiem jest Zakopane, charakteryzujące się niekorzystnymi warunkami wiatrowymi.
• Współpraca turbin wiatrowych i ogniw fotowoltaicznych (wariant II) również w zdecydowanej większości pozwala na spełnienie wymagań granicznej wartości EP_H+W. Zwiększenie udziału ogniw fotowoltaicznych kosztem turbin wiatrowych wpływa negatywnie na wartość EP_H+W.
• Wariant III, czyli zastosowanie ogniw fotowoltaicznych o nominalnej mocy 20 kW, spełnia wymagania co do wartości EP_H+W tylko w przypadku Kołobrzegu. W pozostałych lokalizacjach wymagania te nie są spełnione. Ma to związek z zapotrzebowaniem na energię do celów grzewczych oraz niską sprawnością ogniw fotowoltaicznych. W związku z obniżeniem granicznej wartości EP_H+W w roku 2021 udział energii z OZE w całkowitym bilansie energetycznym budynku musi zostać zwiększony.
• Przy uwzględnieniu możliwych do pozyskania dotacji wspomagających rozwój odnawialnych źródeł energii porównanie wysokości poniesionych nakładów oraz uzyskanych efektów w postaci obniżenia kosztów eksploatacji może wypaść znacznie lepiej. Podobnie będzie w przypadku doboru instalacji korzystających z energii odnawialnej o większej mocy nominalnej (wariant III, ogniwa fotowoltaiczne).
• Należy zwrócić szczególną uwagę, że opłacalność poszczególnych wariantów w dużym stopniu zależy od lokalizacji budynku w danym regionie Polski. Efektywność ekonomiczna może ulec zmianie w razie zastosowania instalacji energii odnawialnej o większej mocy znamionowej. Dlatego każdy przypadek różniący się lokalizacją systemu i mocą źródeł energii odnawialnej należy analizować i optymalizować indywidualnie.

Literatura

1. Olczak P., Olek M., Dostępność energii promieniowania słonecznego dla wybranych miejsc w Polsce, „Energetyka w odsłonach: ochrona środowiska, logistyka, OZE, technika, finanse, bezpieczeństwo”, 2016, s. 207–222.
2. Knapik M., Analiza i wybór źródła grzewczego przygotowującego ciepłą wodę z wykorzystaniem energii odnawialnej, „Rynek Instalacyjny“ nr 9/2016, s. 36–38.
3. Jadwiszczak P., Nowe wymagania, jakim powinny odpowiadać budynki. Możliwość spełnienia wymagań EP, „Rynek Instalacyjny“ nr 4/2014, s. 20–26.
4. Feist W., Münzenberg U., Thumulla J., Podstawy budownictwa pasywnego, 2009.
5. Rylewski E., Energia własna, 2002.
6. Knapik M., Analysis of the possibility to cover energy demand from renewable sources on the motive power of the heat pump in low-energy building, E3S Web of Conferences 17, 00039, 2017.
7. Wojtas K., Sprężarkowa pompa ciepła jako alternatywne źródło ciepła w budynku (cz. 1), „Polski Instalator“ nr 3/2011, s. 40–44.
8. Wojtas K., Sprężarkowa pompa ciepła jako alternatywne źródło ciepła w budynku (cz. 2), „Polski Instalator“ nr 4/2011, s. 40–44.
9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).
10. PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.
11. http://blitzmann.com/turbiny-wiatrowe, dane techniczne i katalogi (dostęp 1.06.2017).
12. Narowski P.G., Dane klimatyczne do obliczeń energetycznych w budownictwie, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja“ nr 11/2006.
13. Budzyński K., Narowski P.G., Czechowicz J., Przygotowanie zbiorów zagregowanych danych klimatycznych dla potrzeb obliczeń energetycznych budynków, Ministerstwo Infrastruktury, 2004, na podstawie danych źródłowych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej.
14. EN-ISO 15927-4 Hygrothermal performance of buildings. Calculation and presentation of climatic data. Part 4: Data for assessing the annual energy for cooling and heating systems, 2003.
15. Narowski P.G., Metodyka wyznaczania klimatycznych warunków obliczeniowych dla instalacji ogrzewczych z uwzględnieniem dynamiki cieplnej budynków, praca doktorska, Politechnika Warszawska, 2001.
16. Powierzchnia dachu potrzebna pod instalację fotowoltaiczną [online], www.solaris18.blogspot.com (dostęp 15.10.2017).
17. Daikin, dane techniczne i katalogi (dostęp 19.04.2017).
18. PN-EN 15316-4-2:2008 Heating systems in buildings. Method for calculation of system energy requirements and system efficiencies. Part 4-2: Space heating generation systems, heat pump systems.
19. PN-90/B-01706:1992 Instalacje wodociągowe. Wymagania w projektowaniu.
20. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376, z późn. zm.).
21. Bednarczyk A., Kulesza L., Wpływ cyrkulacji w instalacji c.w.u. na bilans energii tej instalacji, konferencja „Air&Heat – Water&Energy”, 2011, poster.
22. Taryfa dla energii elektrycznej na 2017 rok, PGE, 2017.
23. Wysokość cen referencyjnych według rozporządzenia Ministra Energii z dnia 24 marca 2017 r. w sprawie ceny referencyjnej energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii w 2017 r. oraz okresów obowiązujących wytwórców, którzy wygrali aukcje w 2017 r. (DzU 2017, poz. 634).
24. Taryfa dla gazu ziemnego E na 2017 rok, PGNiG, 2017.
25. Koszty montażu i eksploatacji instalacji fotowoltaicznej [online], www.solaris18.blogspot.com (dostęp 15.10.2017).
26. Cennik usług serwisowych kotłów gazowych [online], www.unitherm.pl (dostęp 15.10.2017).
27. Kowalik M., Boryca J., Halusiak B., Analiza wpływu cen gazu ziemnego i energii elektrycznej na koszty ogrzewania za pomocą 2-funkcyjnego kotła gazowego w budownictwie wielorodzinnym, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja“ nr 3/2013, s. 96–100.
28. Śnieżyk R., Dostawa ciepłej wody zasilanej gazowym kotłem kondensacyjnym, „Rynek Instalacyjny“ nr 5/2014, s. 76–80.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!