Analiza ekonomiczno-ekologiczna różnych wariantów ogrzewania w domu jednorodzinnym na terenie Białegostoku

Analiza wybranych źródeł ciepła przeprowadzona została w oparciu o różne wartości współczynnika przenikania ciepła U_C(max) zgodnie z aktualnymi warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. W ten sposób określono dwa warianty dla tego samego budynku.

W wariancie A założono współczynniki przenikania ciepła obowiązujące od 1 stycznia 2017 r., natomiast w wariancie B - te, które obowiązywać będą od 31 grudnia 2020 r. [1]. (rys. 1)

Na potrzeby analizy wybrany został dwukondygnacyjny budynek mieszkalny jednorodzinny zlokalizowany w IV strefie klimatycznej w Białymstoku. Powierzchnia ogrzewana obiektu to 138,24 m².

Obliczenia przeprowadzone zostały ręcznie w oparciu o metodologię zawartą w aktualnie obowiązującym rozporządzeniu w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku [2].

Roczne zapotrzebowanie na energię końcową

W pierwszym etapie określono roczne zapotrzebowanie na energię końcową dostarczaną do budynku dla systemu ogrzewania Q_k,H [kWh/rok] oraz systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej Q_k,W [kWh/rok] dla danego rodzaju paliwa.

Zgodnie z rozporządzeniem [2] roczne zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji Q_H,nd [kWh/rok] podzielono przez średnią sezonową sprawność całkowitą systemu ogrzewania h_H,tot, uzyskując roczne zapotrzebowanie na energię końcową Q_k,H.

Średnia sezonowa sprawność całkowita systemu ogrzewania h_H,tot obliczana jest poprzez wymnożenie kolejno średniej sezonowej sprawności wytwarzania h_H,g, regulacji h_H,e, przesyłu h_H,d oraz akumulacji ciepła h_H,s [2].

Jak wynika z tab. 1, największą sprawnością całkowitą charakteryzuje się pompa ciepła, co bezpośrednio przekłada się na najmniejsze zapotrzebowanie na energię końcową Q_k,H spośród analizowanych wariantów źródeł ciepła.

Zapotrzebowanie na energię końcową dla systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej Q_k,W obliczono analogicznie z wykorzystaniem odpowiednich współczynników (odnoszących się do systemu przygotowania c.w.u.) jak wspomnianą powyżej energię Q_k,H. W tym przypadku średnia roczna sprawność całkowita systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej h_W,tot oraz energia końcowa Q_k,W utrzymywały się na podobnym poziomie w odniesieniu do wszystkich analizowanych kotłów.

Najwyższą sprawnością całkowitą charakteryzuje się pompa ciepła, co przekłada się na najniższe zapotrzebowanie na energię końcową dostarczaną do budynku dla systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej Q_k,W (tab. 2).

Czytaj też: Czynniki robocze dolnych źródeł gruntowych pomp ciepła >>>

Roczne koszty ogrzewania

Kolejny etap prac poświęcono obliczeniu rocznego zapotrzebowania analizowanego budynku na dany rodzaj paliwa B [kg/rok lub m³/rok] oraz kosztów jego zakupu. Wykorzystano do tego celu sumę uzyskanych wcześniej rocznych energii końcowych Q_k,H i Q_k,W oraz wartości opałowe Q_i poszczególnych paliw wyrażone w kWh na jednostkę masy bądź objętości (wzór 1).

  (1)

gdzie:

Q_k,H – roczne zapotrzebowanie na energię końcową dla systemu ogrzewania, kWh/rok;

Q_k,W – roczne zapotrzebowanie na energię końcową dla systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej, kWh/rok;

Q_i – wartość opałowa paliwa, kWh/kg lub kWh/m³.

Wartość opałowa oraz koszt jednostkowy zakupu każdego z paliw zostały oszacowane na podstawie rzeczywistych danych pochodzących z rynku surowców energetycznych na terenie Białegostoku.

W przypadku gazu ziemnego w rocznym koszcie jego zakupu, oprócz ceny jednostkowej, ujęto również opłaty stałe związane z eksploatacją sieci gazowej przypisane danej grupie taryfowej.

Przy obliczaniu kosztów energii elektrycznej na potrzeby ogrzewania elektrycznego akumulacyjnego oraz pompy ciepła wybrano grupę taryfową G12 przeznaczoną dla gospodarstw domowych uwzględniającą dwie strefy czasowe naliczania opłat, tzw. strefę dzienną trwającą 14 godzin w ciągu doby, strefę nocną obowiązującą w godzinach 22–6 oraz dwie kolejne godziny doby spośród czterech godzin pomiędzy 13 a 17.

Źródłem ciepła o najniższym rocznym koszcie zakupu nośnika energii w obu wariantach obliczeniowych okazała się pompa ciepła.

Koszty zakupu energii elektrycznej wynoszą ok. 1910 zł dla wariantu A oraz 1780 zł dla wariantu B.

Około 1500 zł więcej należałoby przeznaczyć na zakup biomasy oraz węgla kamiennego.

Gaz ziemny uplasował się wśród „droższych” paliw, jednak nadal był dwukrotnie tańszy niż olej opałowy, będący najdroższym rozwiązaniem.

Roczne koszty ogrzewania elektrycznego znacznie przewyższają wydatki związane z zakupem energii elektrycznej na potrzeby pompy ciepła, gdyż są nawet 2,5 razy większe.

Wydatki na ogrzewanie w przypadku wariantu B dla analizowanych źródeł ciepła według wyliczeń są o ok. 8% mniejsze w porównaniu z wariantem A. Oznacza to, że wprowadzenie od 2021 roku zaostrzeń dotyczących wartości współczynnika przenikania ciepła wpłynie na stopniowe ograniczanie zużycia surowców, a co za tym idzie oszczędności ekonomiczne, a także mniejsze emisje zanieczyszczeń z procesu spalania do atmosfery.

W przypadku energii elektrycznej ważnym elementem jest właściwy dobór taryfy dystrybucji.

W obliczeniach wybrano taryfę G12 z dwiema strefami naliczania opłat, gdyż pozwoliło to na uzyskanie oszczędności w postaci mniejszego rachunku za prąd w porównaniu z innymi taryfami o ok. 400–600 zł w skali roku.

Lokalna emisja zanieczyszczeń

Na podstawie uzyskanego wcześniej zapotrzebowania na paliwa obliczono emisję zanieczyszczeń w miejscu wytworzenia ciepła.

Wskaźniki emisji zanieczyszczeń (tlenki siarki, tlenki azotu, tlenek węgla, dwutlenek węgla, pył zawieszony całkowity (TSP), benzo(a)piren) dla analizowanych paliw przyjęto zgodnie z wytycznymi Krajowego Ośrodka Bilansowania i Zarządzania Emisjami [3, 4].

Należy zauważyć, że w przypadku zastosowania ogrzewania elektrycznego oraz pompy ciepła do ogrzewania budynku i przygotowania ciepłej wody użytkowej nie są emitowane zanieczyszczenia do powietrza w miejscu wytwarzania energii cieplnej (niska emisja), ale mogą być emitowane w innym miejscu, np. w elektrowni węglowej (wysoka emisja).

Otrzymane wyniki emisji poszczególnych zanieczyszczeń w miejscu wytwarzania energii przedstawiono na rysunkach (rys. 2, rys. 3, rys. 4, rys. 5, rys. 6 i rys. 7).

Najwyższe emisje tlenków siarki, tlenków azotu, pyłu zawieszonego (TSP) oraz benzo(a)pirenu występują przy zastosowaniu węgla kamiennego jako paliwa. Natomiast najwyższe emisje tlenku oraz dwutlenku węgla odnotowano w przypadku użycia jako paliwa drewna.

Wysokie emisje tlenków azotu oraz dwutlenku węgla występują również przy wykorzystaniu oleju opałowego.

Najniższe emisje wszystkich rozpatrywanych rodzajów zanieczyszczeń odnotowano dla gazu ziemnego.

Roczne zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną

Wskaźnik rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną określa zużycie energii brutto. Dotyczy energii zawartej w nośnikach ciepła, paliwach służących do pokrycia zapotrzebowania na energię końcową.

Energia pierwotna uwzględnia też sprawności związane z wszelkimi procesami dotyczącymi paliw i nośników energii (np. produkcji energii, transportu paliw).

Małe wartości EP wskazują na wysoką efektywność pozyskania ciepła i charakteryzują rozwiązania ekologiczne [2].

Obecnie budynki powinny być projektowane i wykonane w sposób zapewniający spełnienie wymagań związanych z wartością EP. Dopuszczalna wartość wskaźnika zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną w analizowanym przypadku (dla budynków mieszkalnych jednorodzinnych) wynosi 95 kWh/(m² · rok) od 1 stycznia 2017 r. oraz 70 kWh/(m² · rok) od 1 stycznia 2021 r. [2, 5].

Jedynie w przypadku biomasy w obu wariantach osiągnięto wymagany poziom energii pierwotnej (tab. 3). Pozostałe źródła ciepła osiągnęły EP ok. 200 kWh/(m² · rok). Związane jest to z dwoma elementami, mianowicie wielkością rocznego zapotrzebowania na energię końcową na cele c.o. i c.w.u. oraz wartością współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii w_i.

Wersja obliczeniowa z uwzględnieniem biomasy osiągnęła wymagany poziom energii pierwotnej (poniżej wartości granicznej). Wynik ten uzyskano dzięki niskiemu współczynnikowi w_i, wynoszącemu 0,20 dla biomasy i 1,10 m.in. dla takich źródeł energii, jak: węgiel kamienny, gaz ziemny oraz olej opałowy.

Dla ogrzewania elektrycznego oraz pompy ciepła zarówno w wariancie A, jak i B wartość nieodnawialnej energii pierwotnej kilkakrotnie przekroczyła wyznaczone normy, gdyż współczynnik w_i dla tego rodzaju ogrzewania według rozporządzania [2] wynosi 3,0 (dla energii elektrycznej pozyskanej z sieci). Wyniki przedstawiałyby się inaczej w przypadku pozyskania energii elektrycznej z energii słonecznej za pomocą ogniw fotowoltaicznych. Współczynnik w tym wariancie zgodnie z rozporządzeniem [2] wynosi 0,00. Różnice w wielkości EP przedstawiono w tab. 4.

Coraz bardziej zaostrzone wymagania dotyczące sfery ogrzewania w nowo powstających i modernizowanych budynkach zmuszają do zastosowania rozwiązań proekologicznych.

Warto zauważyć, że nie tylko możliwość spełnienia wymagań stawianych przez prawo, ale również kwestie późniejszej obsługi przez użytkowników skłaniają do stosowania w ogrzewnictwie pomp ciepła. Inwestor może w tym wypadku zrezygnować z budowy systemu odprowadzania spalin, często wielkopowierzchniowych magazynów na opał czy formalności związanych z założeniem przyłącza gazowego. Budynek staje się przez to częściowo autonomiczny pod względem pozyskania ciepła. Częściowo, gdyż wciąż istnieje zapotrzebowanie na energię elektryczną zasilającą pompę ciepła.

W połączeniu z panelami fotowoltaicznymi pompa ciepła może uniezależnić odbiorcę od dostaw energii elektrycznej z zewnątrz.

W celu spełnienia wymaganych wartości wskaźnika EP dla źródeł ciepła, takich jak między innymi węgiel kamienny, olej opałowy czy gaz ziemny, należałoby zmniejszyć zapotrzebowanie na energię końcową na cele c.o. oraz c.w.u. Związane jest to bezpośrednio z zastosowaniem przegród z niskimi współczynnikami przenikania ciepła.

W przypadku analizowanego budynku wskaźnik nieodnawialnej energii pierwotnej dla wyżej wymienionych paliw zostałby spełniony po dodaniu dodatkowej warstwy izolacyjnej o grubości ok. 50 cm lub zastosowaniu materiałów o lepszych parametrach izolacyjności cieplnej.

Innym rozwiązaniem jest wprowadzenie dodatkowego źródła ciepła, np. w postaci kolektorów słonecznych o niskim współczynniku wi, które częściowo pokryje zapotrzebowanie na energię.

Dodatkowe źródło ciepła może się też charakteryzować wysoką sprawnością, co wpłynie na obniżenie EK, a w konsekwencji spowoduje zmniejszenie wskaźnika EP. Każde z tych rozwiązań generuje jednak dodatkowe nakłady inwestycyjne.

Podsumowanie

Przeprowadzone obliczenia pozwoliły na określenie rocznej emisji zanieczyszczeń oraz rocznych kosztów zakupu paliw dla dwóch wariantów budynku jednorodzinnego.

• Zapotrzebowanie na energię końcową do ogrzewania jest mniejsze w przyjętym wariancie B, co bezpośrednio wynika z bardziej rygorystycznych wymagań dotyczących współczynnika przenikania ciepła. Przekłada się to na mniejsze zużycie paliw, a to z kolei powoduje zmniejszenie emisji zanieczyszczeń.
• Najwyższe emisje zanieczyszczeń w miejscu wytworzenia ciepła występują dla węgla kamiennego, a najniższe dla gazu ziemnego.
• W przypadku ogrzewania elektrycznego oraz pompy ciepła w miejscu wykorzystania energii cieplnej emisje zanieczyszczeń do powietrza nie występują.
• Roczne koszty paliwa są najwyższe dla lekkiego oleju opałowego, a najniższe dla węgla kamiennego.

Budynek, którego wszystkie przegrody będą spełniały wymagania WT2021, ze względu na wybrane źródło ciepła nie spełni jednak wymagania zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną EP.

Spośród wszystkich analizowanych wariantów tylko wariant z kotłem na biomasę i pompa ciepła (zasilana energią elektryczną wytworzoną miejscowo) spełnia te wymagania.

Zatem czy nie będzie można zastosować wysokiej klasy kotła węglowego czy innego tradycyjnego źródła ciepła po 2021 roku?

• Można dążyć do spełnienia wymagań względem wskaźnika EP poprzez zmniejszenie zapotrzebowania na energię końcową dla budynku.
• Możliwe jest zastosowanie przegród o lepszych współczynnikach izolacyjności czy też wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła.

Innym rozwiązaniem jest wykorzystanie dodatkowego źródła ciepła, np. w postaci kolektorów słonecznych, które pozwoli na częściowe pokrycie zapotrzebowania na energię cieplną dostarczaną do budynku i wpłynie na obniżenie wskaźnika EP. Zatem bardzo ważne jest, aby nie analizować tylko wskaźnika EP, ale również wartość wskaźnika EK, co wynika z faktu, że budynek o słabych parametrach izolacyjności cieplnej przegród ze źródłem ciepła w postaci kotła na biomasę spełni wymagania co do wartości EP.

Natomiast ten sam budynek z dobrze zaizolowanymi przegrodami i wysokosprawnym źródłem ciepła, np. na węgiel, tych wymagań już nie spełni.

Analizując uzyskane wyniki, trudno wskazać jeden rodzaj paliwa jako najkorzystniejszy pod kątem relacji kosztów zakupu do powstającej emisji i jednocześnie spełniający wymagania stawiane przez obowiązujące przepisy.

Ostateczną decyzję odnośnie do wyboru paliwa podejmuje użytkownik. Musi on zdecydować, co jest dla niego istotne – koszty zakupu paliwa czy wielkość emisji zanieczyszczeń.

Dokonując wyboru, użytkownik powinien być świadomy konsekwencji swojej decyzji również dla środowiska, przy czym musi pamiętać o spełnianiu wymagań stawianych przez obowiązujące przepisy, co może w znacznym stopniu ograniczyć możliwości wyboru.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2017, poz. 2285).
2. 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).
3. Zespół Zarządzania Krajową Bazą KOBiZE, Wskaźniki emisji zanieczyszczeń ze spalania paliw kotły o nominalnej mocy cieplnej do 5 MW, Warszawa 2015.
4. Wojewódzki Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Poznaniu, Zestawienie wzorów i wskaźników emisji substancji zanieczyszczających wprowadzanych do powietrza, Poznań 2016.
5. Jadwiszczak P., Trząski A., Wentylacje i ogrzewanie w nowych przepisach. Aktualne warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki, Grupa Medium, Warszawa 2016.

Czytaj też: Project Island – projekt instalacji sanitarnych w budynku stacji meteorologicznej w Chile >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!