Jak zdywersyfikować dostawy ciepła i zoptymalizować koszty eksploatacyjne

Urządzenia grzewcze zasilane energią elektryczną zyskują na popularności wśród różnych grup odbiorców – gospodarstw domowych, podmiotów komercyjnych, przemysłu. Wzrost ten wynika z kilku czynników, m.in. niepewności związanej z dostępnością i cenami węgla czy gazu, coraz większej świadomości postępującej dekarbonizacji czy wreszcie rosnących możliwości efektywnego wykorzystania energii z własnych instalacji PV i poszukiwania niezależności i autonomii względem dostaw energii z systemu energetycznego .

Kotły elektryczne, pompy ciepła powietrze/powietrze (klimatyzatory z funkcją grzania), płaszczyznowe ogrzewanie elektryczne czy piece akumulacyjne zyskują popularność także ze względu na niskie w porównaniu z innymi rozwiązaniami grzewczymi koszty inwestycyjne. Na zakup/montaż urządzenia grzewczego elektrycznego (innego niż pompa ciepła), materiałów instalacyjnych wchodzących w skład systemu ogrzewania elektrycznego, zbiornika akumulacyjnego/buforowego, zbiornika cwu z osprzętem [2, 3, 4] można także uzyskać dotację w programie „Czyste Powietrze”. Zależnie od poziomu finansowania wartość dotacji może wynieść 30, 60 lub 90% kosztów kwalifikowanych i odpowiednio maks. 3 tys., 6 tys. i 9 tys. zł [2, 3, 4]. Według statystyk programu udział wniosków o dotację do zakupu ogrzewania elektrycznego jest jednak wciąż niewielki i rośnie powoli – w pierwszym półroczu 2021 r. było to 1,5%, a w pierwszym półroczu 2022 1,9% [5].

Ze względu na wysokie i niestabilne ceny energii – niezależnie od zmienionych 15 kwietnia 2022 r. warunków uzyskiwania dotacji w programie rządowym „Mój Prąd” oraz od poziomu inflacji wpływającego na ostrożność inwestycyjną – dużą popularnością wśród inwestorów cieszą się niezmiennie instalacje fotowoltaiczne (PV). Połącznie instalacji PV z domową instalacją elektryczną i grzewczą to nowy trend, zapoczątkowany przez zmiany w programie „Mój Prąd” i wzmocniony przez rosnące ceny energii oraz problemy z dostępnością paliw – to autokonsumpcja z magazynowaniem energii zarówno w formie energii elektrycznej, jak i cieplnej.

Magazynowanie energii w elektrycznych systemach grzewczych

W IV naborze programu wsparcia montażu mikroinstalacji PV „Mój Prąd” dotację można uzyskać nie tylko na same panele fotowoltaiczne i ich montaż, ale też na rozwiązania pozwalające na świadome zarządzanie energią – magazyny i systemy zarządzania (EMS – Energy Management System, HEMS – Home Energy Management System) [6]. We współpracy z instalacją PV stosowane są zarówno magazyny energii elektrycznej (najczęściej bateryjne litowo-jonowe), jak i magazyny ciepła. Magazyny energii elektrycznej sprawdzą się np. w nowych domach o wysokim poziomie elektryfikacji, a magazyny ciepła w budynkach istniejących, kiedy inwestorowi zależy na obniżeniu zużycia paliw tradycyjnych, a rozwiązania zasilane prądem elektrycznym mają charakter uzupełniający. W układzie z magazynem energii i ciepła warto rozważyć także zastosowanie systemu zarządzania energią HEMS/EMS – w przypadku korzystania z programu „Mój Prąd” na taki system można uzyskać dotację do 3000 zł (warunkiem jest właśnie zakup i montaż magazynu energii/ciepła) [6]. EMS pozwala inteligentnie sterować przepływem energii z PV między urządzeniami, magazynami energii i siecią. Na HEMS składają się urządzenia oraz program, który pozwala kontrolować i monitorować przepływ energii w budynku oraz nim zarządzać, optymalizując spełnienia wszystkich potrzeb energetycznych użytkowników.

Magazyny (akumulatory) energii elektrycznej ładują się w ciągu kilku godzin – zależnie od nasłonecznienia i bezpośredniego zużycia prądu. Domowy magazyn energii powinien być przystosowany do pracy ciągłej oraz wyróżniać się wysoką gęstością energii i mocy oraz sprawnością gromadzenia mocy. Najpopularniejsze są akumulatory litowo-jonowe (sprawność gromadzenia mocy ok. 80%). Zaletą magazynu energii jest bezpieczeństwo dostaw energii w przypadku przerw w dostawie prądu sieciowego – jeśli dana inwestycja mieści się na obszarze, na którym awaryjne wyłączenia zdarzają się często i są długotrwałe, elementem projektu instalacji powinna być sieć awaryjna, a pojemność magazynu powinna przewidywać możliwość zasilenia sprzętów domowych przez kilka godzin. Na magazyn energii elektrycznej o pojemności minimalnej 2 kWh i cenie do 4000 zł/kWh pojemności można uzyskać dotację w programie „Mój Prąd”, może ona wynieść maks. 7500 zł i jednocześnie nie więcej niż 50% kosztów kwalifikowanych [6].

Ważnym aspektem stosowania ogrzewania elektrycznego w budynkach mieszkalnych (szczególnie w domach jednorodzinnych) jest konwertowanie nadwyżek prądu wyprodukowanego przez PV na ciepło (Power-to-Heat). Magazyny ciepła w porównaniu do magazynów energii elektrycznej oznaczają dla inwestora także mniejszy koszt – nie tylko inwestycyjny. Jak wskazuje Instytut Energetyki Odnawialnej, koszty magazynowania energii (wyznaczone przy założeniu jednego cyklu ładowanie/rozładowanie dziennie i dla cen energii z maja 2022 r.) wynoszą ok. 2–5 zł/kWh dla magazynów bateryjnych, natomiast dla magazynów ciepła poniżej 1 zł/kWh [7]. Magazynami ciepła są zasobniki lub bufory c.w.u., a także pompy ciepła typu powietrze/woda (z odrębnym lub zintegrowanym zasobnikiem c.w.u.). Pojemność takiego zbiornika dobiera się w oparciu o czas bez uzyskiwania prądu ze słońca (od 24 do 72 godz.), przy założeniu określonego zużycia c.w.u. (najczęściej 50 l/osobę/dobę). Żeby zasobnik ciepła był traktowany jak magazyn ciepła podlegający dotacji w wysokości do 5000 zł i jednocześnie do 50% kosztów kwalifikowanych w programie „Mój Prąd”, musi mieć co najmniej 20 dm³ pojemności, a jego zasilanie musi stanowić elektryczne źródło ciepła zwiększające autokonsumpcję – pompa ciepła, kocioł elektryczny czy grzałka elektryczna [6].

Kotły elektryczne

Jednym z rozwiązań mogących współpracować zarówno z magazynami ciepła, jak i instalacją PV są kotły elektryczne. Jak wskazuje SPIUG, zainteresowanie tymi urządzeniami – z uwagi na łatwość montażu i rozsądne koszty instalacji – rośnie nieprzerwanie od 2020 r. W drugim kwartale 2022 r. wzrost sprzedaży tych urządzeń wyniósł ok. 80% r/r [1]. Kotły elektryczne są wybierane do współpracy z instalacjami PV jako rozwiązanie alternatywne wobec głównego źródła ciepła oraz jako jedna z alternatyw dla wybranych wcześniej źródeł ciepła (np. pomp ciepła), na których dostawę trzeba czekać nawet parę miesięcy. Inwestorzy doceniają także niską cenę zakupu, małą wagę i wymiary tych urządzeń, łatwość montażu i brak konieczności przygotowania pomieszczenia kotłowni i systemu odprowadzania spalin.

W kotle elektrycznym elementem grzewczym są grzałki z drutu oporowego w odpowiedniej osłonie, w liczbie zależnej od mocy kotła. Elementy te są podatne na sterowanie – grzałki uruchamiane są sekwencyjnie, zależnie od bieżącego zapotrzebowania na moc. Parametrem regulacyjnym może być temperatura zewnętrzna, temperatura panująca w pomieszczeniu kontrolnym lub temperatura wody powrotnej. Dostępne są także moduły komunikacyjne umożliwiające zdalne ustawienia takich parametrów, jak czas pracy kotła czy temperatura poszczególnych pomieszczeń i c.w.u.

Występują różne wielkości i wykonania kotłów elektrycznych. Moc grzewcza takiego urządzenia wynosi zwykle od 4 do 24 kW. Kotły mniejsze mają zasilanie jednofazowe, większe trójfazowe. Podobnie jak inne kotły grzewcze przepływowe, kotły elektryczne występują jako jedno- lub dwufunkcyjne, przystosowane do pracy w układzie c.o. otwartym i zamkniętym, w wersji wiszącej lub stojącej. Wyposażenie kotła w dodatkowy moduł umożliwia jego współpracę z buforem c.o. czy zasobnikiem c.w.u. – w takim przypadku zasobnik lub bufor traktowany jest jak magazyn ciepła według programu „Mój Prąd”. Kotły elektryczne dostępne są także jako PV Ready lub PV Friendly – tak zaprojektowane urządzenia w pierwszej kolejności pobierają energię pochodzącą z instalacji PV, a po zużyciu nadprodukcji są wyłączane. Planując współpracę kocioł–zasobnik c.w.u.–instalacja fotowoltaiczna, można uzyskać optymalne warunki pracy, przewidując priorytet w wykorzystaniu energii z instalacji PV dla zasobnika c.w.u. Właściwość tę można szczególnie dobrze wykorzystać przy rozliczeniu poboru energii elektrycznej według taryfy dwustrefowej (G12 lub G12W), w której cena prądu jest nawet o 40% niższa w określonych godzinach lub w weekendy – ładowanie zasobnika powinno wówczas następować w godzinach obowiązywania niższej ceny za energię elektryczną. Zasadę tę mogą wykorzystywać także piece akumulacyjne.

Elektryczne ogrzewacze pomieszczeń

Ogrzewanie elektryczne może także przyjąć formę zdecentralizowaną – urządzeń płaszczyznowych (kable, maty lub folie), a także ogrzewaczy pomieszczeń. Ogrzewacze bardzo dobrze sprawdzą się jako urządzenia uzupełniające współpracujące z innym urządzeniem grzewczym (np. pompą ciepła powietrze/powietrze, a więc klimatyzatorem z funkcją grzania) oraz jako rozwiązanie samodzielne, np. zastępujące stare źródło ciepła w mieszkaniu w budynku wielorodzinnym. W tym ostatnim przypadku na ogrzewacz można uzyskać dotację w programie „Ciepłe Mieszkanie”, skierowanym do właścicieli mieszkań w budynku wielorodzinnym (aktualnie prowadzony jest nabór do tego programu dla gmin) [8]. Funkcję ogrzewaczy mogą spełniać piece akumulacyjne lub grzejniki konwektorowe.

Piece (grzejniki) akumulacyjne mają zwykle niewielką głębokość i przystosowane są do montażu podłogowego lub ściennego, choć mają wyraźnie większą masę niż tradycyjne grzejniki wodne. O wadze grzejnika akumulacyjnego decyduje wkład (blok) akumulacyjny wykonany z materiału o dużej zdolności magazynowania ciepła wytworzonego z energii elektrycznej (np. cegły szamotowe lub magnezytowe), który w ciągu kilku godzin nagrzewa się do bardzo wysokiej temperatury – nawet ponad 700°C. Ciepło akumulowane jest z wysoką sprawnością (niewielkie straty), a następnie równomiernie oddawane do otoczenia bez dalszego pobierania prądu. W sytuacji optymalnej pobieranie energii elektrycznej (zasilanie grzałek) następuje w czasie tańszej taryfy – za realizację takiego trybu pracy odpowiada zegar sterujący. Piece akumulacyjne dostępne są jako urządzenia z rozładowaniem statycznym (ciepło rozprowadzane na drodze konwekcji) lub dynamicznym (za rozprowadzenie ciepła odpowiada wentylator promieniowy zapewniający wymuszony obieg powietrza). Sterowaniem zajmuje się automatyczny termostat, umożliwiający regulację pracy urządzenia zależnie od temperatury pomieszczenia, wykrycia otwartego okna czy spadku temperatury poniżej ustawionej wartości minimalnej.

Praktycznym i łatwym w montażu rozwiązaniem, które łączy w sobie zalety ogrzewania przez promieniowanie oraz przez konwekcję wymuszoną (dzięki czemu ciepło szybko i efektywnie rozprowadzane jest po pomieszczeniu), są grzejniki konwektorowe elektryczne. Urządzenia te wyróżniają się atrakcyjnym wyglądem, przypominając eleganckie grzejniki wodne, oraz możliwością efektywnej i szybkiej regulacji, np. w oparciu o wskazania czujnika obecności bądź otwarcia okna.

Elektryczne ogrzewanie płaszczyznowe

Rozwiązaniem sprawdzającym się we współpracy z instalacją fotowoltaiczną są też różne rodzaje elektrycznego ogrzewania płaszczyznowego – podłogowe, ścienne czy sufitowe. Ogrzewanie takie może pełnić funkcję głównego systemu grzewczego albo funkcję uzupełniającą. Dywersyfikując dostawy ciepła, inwestorzy coraz chętniej sięgają np. po elektryczne maty grzewcze do pojedynczych pomieszczeń (głównie łazienek), w których ogrzewanie elektryczne tylko w czasie użytkowania może pomóc w oszczędności ciepła sieciowego czy ciepła pochodzącego z głównego budynkowego źródła wody grzewczej.

Płaszczyznowe ogrzewanie elektryczne łączy zalety ogrzewania promiennikowego płaszczyznowego – nieobecność grzejników, równomierny i komfortowy rozkład temperatury w pomieszczeniu oraz brak unoszenia się kurzu z ważnymi cechami użytkowymi – łatwo je zamontować w wybranych pomieszczeniach, ma też mniejszą bezwładność niż ogrzewanie wodne, dzięki czemu jest łatwiej sterowalne. Należy jednak traktować je jak instalację elektryczną – wymaga przydzielenia mocy, a także musi zostać sprawdzone przez uprawnionego elektryka i podłączone do zasilania przez osobę z odpowiednimi kwalifikacjami (co jest warunkiem obowiązywania gwarancji producenta). Wymaga też odpowiednich zabezpieczeń elektrycznych – wyłącznika nadmiarowego i różnicowo-prądowego, a w pomieszczeniach ochrony przeciwporażeniowej. Istotne jest także powiązanie projektu ogrzewania podłogowego z aranżacją pomieszczeń – tak aby meble bez nóżek i przybory sanitarne nie zasłaniały powierzchni grzewczej.

Instalacje można wykonywać z kabli (przewodów grzewczych), które układa się pod wylewką z zachowaniem dylatacji. Stosuje się kable stałooporowe pracujące zawsze z pełną mocą lub droższe samoregulujące, w przypadku których można dostosować moc kabla do temperatury jego otoczenia. Wyższa cena inwestycyjna rekompensowana jest przez korzyści eksploatacyjne – kable samoregulujące nie pozwalają na przegrzanie podłogi i umożliwiają dopasowanie ilości oddawanego ciepła do potrzeb.

Rozwiązaniami stosowanymi chętnie w przypadku remontów (ze względu na mniejszą grubość oraz łatwiejsze układanie) są prefabrykowane maty i folie grzewcze. Żywotność mat i folii grzewczych jest wysoka (gwarancja producenta wynosi nawet do 25 lat).

Zobacz także: Ciepłomierze indywidualne – wybrane prawne i ekonomiczne aspekty doboru, montażu i eksploatacji

Maty grzewcze stanowią samoprzylepne siatki z tworzywa sztucznego z wplecionymi przewodami o grubości ok. 2 mm i różnych wersjach mocy grzewczej wyrażonej w [W/m²], a zależnej m.in. od rodzaju pokrycia podłogi. Maty stosuje się także jako ogrzewanie ścienne, do montażu w warstwie kleju pod glazurą czy gresem (rozwiązanie polecane szczególnie do łazienek) lub pod płytami g-k, z zastosowaniem elastycznego wielożyłowego przewodu z włókna węglowego w specjalnej osłonie silikonowej. Do montażu podtynkowego stosuje się maty o małej grubości (mniej niż 1 mm), zasilane prądem stałym o bezpiecznym, niskim napięciu (SELV – safety extra-low voltage). Ciekawym zastosowaniem ściennych mat grzewczych są tzw. maty antypleśniowe zasilane prądem o małej mocy, które mają utrzymywać ściany w temperaturze powyżej punktu rosy. Pozwala to uniknąć kondensacji pary wodnej na ścianie i rozwoju pleśni, a także zwiększa tzw. temperaturę odczuwalną dzięki zapewnieniu wyższej temperatury ścian. Rozwiązanie to sprawdzi się np. w pomieszczeniach z ogrzewaniem wodnym, gdzie możliwe jest zapewnienie komfortu cieplnego przy niższym zużyciu medium grzewczego.

Elementem grzewczym w tym rozwiązaniu może być elastyczny wielożyłowy przewód z włókna węglowego umieszczony w specjalnej osłonie silikonowej. Folie grzewcze – arkusze z tworzyw sztucznych lub odpowiedniego włókna szklanego z naniesionymi elementami grzejnymi – mają grubość ok. 0,2–0,4 mm, ich moc grzewcza może wynosić od 60 do nawet 400 W/m2, a całkowita wysokość montażowa może nie przekroczyć 5 mm. Dlatego folie te sprawdzą się nie tylko w ogrzewaniu podłogowym, ale też ściennym. Nie poleca się ich natomiast do pomieszczeń wilgotnych, np. do łazienek. Folie grzewcze są tańsze i łatwiejsze w montażu niż inne systemy ogrzewania podłogowego.

Ogrzewanie elektryczne płaszczyznowe można łatwo regulować, a parametrami regulacji mogą być temperatura powietrza w ogrzewanym pomieszczeniu lub podłogi. To pierwsze rozwiązanie stosuje się najczęściej, jeśli ogrzewanie płaszczyznowe jest głównym systemem grzewczym. Czujnik temperatury podłogi sprawdzi się jako ochrona przed przegrzaniem (podniesieniem temperatury podłogi powyżej wartości zadanej), np. we wspomagającym systemie grzewczym, ale także we współpracy z czujnikiem temperatury powietrza (wówczas ogrzewanie odpowiednio wcześnie reaguje na zbyt wysoką temperaturę elementów grzewczych). Czujniki podłogowe umieszcza się pod posadzką między przewodami grzewczymi, konieczne jest więc odpowiednio wczesne zaplanowanie ich zastosowania.

Wykorzystanie energii elektrycznej do ochrony instalacji zewnętrznej

Ogrzewanie elektryczne może być także wykorzystane na zewnątrz, do ochrony konstrukcji i instalacji zewnętrznych przed śniegiem i lodem. W systemach rynnowych zalegający śnieg i lód może powodować niedrożności, a samo tworzenie lodu (np. poprzez wtórne zamarzanie wody roztopowej odprowadzanej z dachu) może się przyczynić do uszkodzenia rynien i elewacji. Na zamarzanie są też narażone rury, zawory czy siłowniki w zewnętrznych odcinkach instalacji wodnej. Prostym i tanim w montażu oraz eksploatacji (szczególnie w porównaniu do późniejszych kosztów usuwania szkód) sposobem ochrony jest ogrzanie chronionych odcinków instalacji do temperatury uniemożliwiającej zaleganie śniegu i tworzenie lodu.

Praktycznym i łatwym w obsłudze rozwiązaniem przeznaczonym do ochrony rynien, rur spustowych oraz innych instalacji rurowych są kable grzejne. Przypominają one rozwiązania stosowane w elektrycznym ogrzewaniu płaszczyznowym, są jednak przystosowane do pracy zewnętrznej dzięki zabezpieczeniu przed warunkami zewnętrznymi (temperatura, wilgotność, opady) oraz przed starzeniem się pod wpływem promieni UV. Kable mogą być dostarczane w formie kręgów lub jako odcinki o określonej długości gotowe do montażu, z tzw. kablem zimnym – zasilającym, przeznaczonym do podłączenia do instalacji elektrycznej. Podłączenie kabla powinien przeprowadzić uprawniony elektryk.

W ofercie rynkowej dostępne są rozwiązania dostosowane do różnych rodzajów materiałów (np. specjalne kable do rynien z wykończeniem bitumicznym), o różnej mocy jednostkowej oraz w różnych wykonaniach technicznych. Najczęściej spotykane są przewody grzejne stałooporowe (o niezmiennej mocy) oraz przewody samoregulujące, których oporność (a zatem moc grzejna) jest funkcją temperatury zewnętrznej – dzięki temu kable nie tylko pracują optymalnie pod względem eksploatacyjnym i ekonomicznym, ale są też chronione przed przegrzaniem. Pozwala to na bliskie prowadzenie lub krzyżowanie się kabli.

Kable mocuje się w rynnach i rurach spustowych za pomocą specjalnych zawiesi montażowych, a rury instalacyjne można owinąć kablem z zewnątrz. Kable łatwo zamontować także na konstrukcjach istniejących, również w temperaturze ujemnej, nieprzekraczającej wartości określonej przez producenta. Moc grzewczą kabli stałooporowych (lub maksymalną moc grzewczą kabli samoregulujących) dobiera się w zależności od ich przeznaczenia (w tym m.in. od materiału i średnicy chronionego układu) oraz od strefy klimatycznej. W rurach o większych średnicach i w trudnych warunkach klimatycznych kable grzejne często układa się parami.

Pracę instalacji kablowej chroniącej przed śniegiem i lodem można łatwo regulować, dzięki czemu jest ona optymalna i może przebiegać bez udziału użytkownika. Ważnym elementem takiego układu regulacji i sterowania jest czujnik wilgotności i oblodzenia – dzięki niemu czas pracy kabli jest ograniczony do tych sytuacji, kiedy rzeczywiście istnieje zagrożenie opadem czy zamarzaniem wody w rynnie. Zwiększa to efektywność ekonomiczną tego rozwiązania.

Literatura

1. Starościk Janusz, Podsumowanie rynku urządzeń grzewczych w Polsce w II kwartale 2022, https://spiug.pl/raporty/podsumowanie-rynku-urza%cc%a8dzen-grzewczych-w-polsce-w-ii-kwartale-2022/ (dostęp: 6.10.2022)

2. Załącznik nr 2 do Programu Priorytetowego „Czyste Powietrze”. Koszty kwalifikowane oraz maksymalny poziom dofinansowania dla Części 1) Programu dla Beneficjentów uprawnionych do podstawowego poziomu dofinansowania

3. Załącznik nr 2a do Programu Priorytetowego „Czyste Powietrze”. Koszty kwalifikowane oraz maksymalny poziom dofinansowania dla Części 2) Programu dla Beneficjentów uprawnionych do podwyższonego poziomu dofinansowania

4. Załącznik nr 2b do Programu Priorytetowego „Czyste Powietrze”. Koszty kwalifikowane oraz maksymalny poziom dofinansowania dla Części 3) Programu dla Beneficjentów uprawnionych do najwyższego poziomu dofinansowania

5. Wymiana kopciuchów w programie „Czyste Powietrze” – statystyki, https://czystepowietrze.gov.pl/wymiana-kopciuchow-w-programie-czyste-powietrze-statystyki (dostęp: 6.10.2022)

6. Strona informacyjna programu „Mój Prąd”, https://mojprad.gov.pl (dostęp: 6.10.2022)

7. Bogacz Agnieszka (red.), Rynek fotowoltaiki w Polsce 2022, raport Instytutu Energetyki Odnawialnej, Warszawa, maj 2022

8. Rusza program „Ciepłe Mieszkanie” – na razie nabór dla gmin, https://strefainstalatora.pl/poradnik-instalatora/rusza-program-cieple-mieszkanie-na-razie-nabor-dla-gmin/ (dostęp: 6.10.2022)

9. Strona informacyjna programu „Moje Ciepło”, https://mojecieplo.gov.pl (dostęp: 6.10.2022)

10. Materiały techniczne firm: Atlantic, Elektra, Elektrotermia, Elterm, Espacia, Fronius, JA Solar, Kospel, Ospel, Pylontech, Raychem, SolarEdge, Stiebel Eltron

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!