Aspekty ekonomiczne i środowiskowe ogrzewania elektrycznego w nowo wznoszonych budynkach jednorodzinnych

Zjawisko smogu jest ściśle związane z postępem cywilizacyjnym, głównie rozwojem przemysłu, ale także dążeniem do podniesienia komfortu życia. Jest jego uciążliwym, niechcianym i wstydliwym „produktem ubocznym”. Do rozwoju potrzebna jest energia, a ta produkowana jest głównie z paliw kopalnych, których spalanie jest podstawową przyczyną występowania smogu.

Szkodliwość oddziaływania zanieczyszczeń powietrza na zdrowie jest powszechnie znana i udokumentowana. Podobnie jak w przypadku palenia tytoniu negatywne skutki zdrowotne smogu nie pojawiają się od razu i nie wszyscy ludzie są jednakowo podatni na jego długotrwałe działanie. Stąd wieloletnie ignorowanie tego zjawiska i późniejsza tolerancja – przecież ciepło, energia i transport są nam niezbędne do życia i rozwoju, a walka ze smogiem kosztuje. Jednak po osiągnięciu pewnego poziomu życia i wzrostu świadomości pojawia się nacisk znaczącej części społeczeństwa na podjęcie w tej kwestii radykalnych działań (z czym mamy obecnie do czynienia w Polsce).

Podstawowym źródłem zanieczyszczeń odpowiedzialnych za występowanie zjawiska smogu jest spalanie niskiej jakości paliw w urządzeniach o małej efektywności – czyli paleniskach indywidualnych kotłów zasilających w ciepło przede wszystkim jednorodzinne budynki mieszkalne. Dotyczy to w głównej mierze emisji benzo(a)pirenu odpowiedzialnego za wzrost zachorowań na nowotwory oraz drobnych frakcji pyłu będących przyczyną zaostrzenia chorób górnych dróg oddechowych oraz układu krążenia.

Katastrofalny jest obecny stan budynków oraz urządzeń do ogrzewania. Konieczne są zatem bardzo szybkie działania wspierające termomodernizację budynków oraz wymianę kotłów na nowoczesne, niskoemisyjne urządzenia.

Jednym z możliwych rozwiązań jest zastosowanie ogrzewania elektrycznego, które nie powoduje lokalnej, „niskiej” emisji zanieczyszczeń. Celem niniejszego artykułu jest sprawdzenie, czy ogrzewanie elektryczne domu jednorodzinnego może być konkurencyjne pod względem zużycia energii, emisji i ekonomicznym w porównaniu z innymi nośnikami energii na przykładzie budynku, który spełnia aktualne wymagania w zakresie ochrony cieplnej (nowego lub poddanego głębokiej termomodernizacji).

Wymagania techniczne

Zapisy dotyczące efektywności energetycznej budynków określone zostały w warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (WT) [12], obowiązujących od 1 stycznia 2014 roku. Zakładają one stopniowe zwiększanie wymagań dotyczących ochrony cieplnej oraz efektywności energetycznej instalacji wykorzystywanych w budynkach.

Rozporządzenie to nie reguluje wprawdzie bezpośrednio kwestii związanych z zastosowaniem źródeł ciepła, jednak sformułowanie wymagań całościowych w odniesieniu do zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną bardzo wyraźnie promuje źródła energii charakteryzujące się niskim nakładem nieodnawialnej energii pierwotnej.

Osiągnięcie określonego w WT dla roku 2021 wskaźnika EP jedynie dzięki poprawie ochrony cieplnej budynku może być praktycznie niemożliwe, co wykazały analizy różnych autorów [1–7].

Efektywną metodą spełnienia wymagań stawianych nowo wznoszonym budynkom może być zatem wykorzystanie alternatywnych źródeł energii, takich jak źródła odnawialne czy kogeneracja.

Energia elektryczna pochodząca z sieci elektroenergetycznej charakteryzuje się niemal trzykrotnie wyższym współczynnikiem nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej (w_i = 3,0) w stosunku do paliw kopalnych (w_i = 1,1). Oznacza to, że przy jednakowym zapotrzebowaniu na energię końcową zastosowanie w budynku źródła ciepła zasilanego energią elektryczną skutkowałoby niemal trzykrotnie wyższą wartością wskaźnika E_PH+W w stosunku do budynku zasilanego paliwami kopalnymi. W praktyce może to uniemożliwić spełnienie warunku EP przy wykorzystaniu ogrzewania elektrycznego jako podstawowego źródła ciepła w budynku.

Zużycie energii pierwotnej charakteryzuje jedynie jeden z aspektów oddziaływania budynków na środowisko. Jednym z głównych nurtów działań w obszarze efektywności energetycznej jest obecnie ograniczenie emisji CO₂ oraz wyeliminowanie smogu [8, 9, 10], którego główną przyczyną w Polsce jest emisja z indywidualnych palenisk domowych (tzw. niska emisja), dlatego warto zwrócić uwagę również na te aspekty eksploatacji źródeł ciepła w domach jednorodzinnych.

Czytaj też: Analiza techniczno-ekonomiczna wyboru pomp ciepła dla zaspokojenia potrzeb cieplnych w budynku jednorodzinnym >>>

Zakres analizy

W celu określenia potencjału źródeł ciepła zasilanych energią elektryczną przeanalizowano oddziaływanie na środowisko oraz efektywność ekonomiczną wybranych systemów ogrzewania wykorzystujących:

1. ogrzewanie elektryczne (dynamiczne grzejniki akumulacyjne + pojemnościowy podgrzewacz c.w.u.);
2. gruntową pompę ciepła (ogrzewanie podłogowe + pojemnościowy podgrzewacz c.w.u.);
3. powietrzną pompę ciepła (ogrzewanie podłogowe + pojemnościowy podgrzewacz c.w.u.);
4. kocioł węglowy klasy 5 (ogrzewanie grzejnikowe + pojemnościowy podgrzewacz c.w.u.);
5. kocioł olejowy (ogrzewanie grzejnikowe + pojemnościowy podgrzewacz c.w.u.);
6. gazowy kocioł kondensacyjny (ogrzewanie grzejnikowe + pojemnościowy podgrzewacz c.w.u.);
7. kocioł biomasowy (na pelet) klasy 5 (ogrzewanie grzejnikowe + pojemnościowy podgrzewacz c.w.u.).

W przypadku wszystkich wariantów zaopatrzenie w ciepłą wodę użytkową odbywa się za pomocą systemu centralnego wyposażonego w zasobnik ciepła pozwalający na pokrycie dobowego zapotrzebowania na c.w.u.

W wariancie 1 ze względu na brak centralnego źródła ciepła zasobnik został wyposażony w dodatkową grzałkę elektryczną, dzięki czemu pełni on funkcję pojemnościowego podgrzewacza c.w.u. Przyjęte do analizy na podstawie [13] sprawności poszczególnych źródeł ciepła przedstawiono w tab. 1.

Analizę przeprowadzono dla przykładowego budynku jednorodzinnego o powierzchni 100 m²(tab 2).

• W budynku tym zastosowano odzysk ciepła z powietrza wentylacyjnego o średniej sezonowej sprawności 65%, a jego przegrody spełniają wymagania szczegółowe WT dla roku 2017 w zakresie izolacyjności termicznej.
• Charakterystyka energetyczna analizowanego budynku została określona zgodnie z normą PN-EN 13790 [15] oraz rozporządzeniem z 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej [13].
• Parametry ochrony cieplnej budynku (izolacyjność przegród, odzysk ciepła) zostały dobrane w sposób umożliwiający osiągnięcie wymaganego poziomu EP przy zastosowaniu kotła gazowego współpracującego z kolektorami słonecznymi pokrywającymi 40% zapotrzebowania na c.w.u.
• Charakterystykę energetyczną uzupełniono o obliczoną wartość zapotrzebowania na energię elektryczną na cele bytowe (tj. oświetlenie, zasilanie urządzeń RTV i AGD), z uwzględnieniem godzinowej charakterystyki występowania (wyrażonej za pośrednictwem udziału zużycia w godzinach strefy taryfowej dziennej).

Dla przyjętych założeń obliczono zapotrzebowanie na energię końcową w przypadku poszczególnych systemów zaopatrzenia w ciepło (rys. 1). Obliczone wartości zapotrzebowania na energię końcową stały się następnie podstawą do dalszej analizy porównawczej.

Porównanie wskaźników jednostkowego zapotrzebowania na energię pierwotną

Na rys. 2 przestawiono wyniki obliczeń jednostkowego zużycia energii pierwotnej EP dla analizowanego budynku oraz rozpatrywanych systemów ogrzewania.

Zgodnie z wynikami obliczeń uzyskana wartość EP = 191,6 kWh/(m² rok) dla systemu opartego na grzejnikach elektrycznych przeszło dwukrotnie przewyższa wartość dopuszczalną określoną przez WT 2017 [EP = 95 kWh/(m² rok)]. Dzieje się tak pomimo wykorzystania przegród o wysokiej izolacyjności termicznej, zastosowania odzysku ciepła oraz wykorzystania kolektorów słonecznych.

Ponieważ dalsza poprawa ochrony cieplnej budynku byłaby bardzo kosztowna i stosunkowo mało efektywna, spełnienie warunku EP wymagałoby znacznego zwiększenia udziału energii odnawialnej (do poziomu 55% całkowitego zapotrzebowania na ciepło).

W przypadku systemów z pompami ciepła dzięki wykorzystaniu energii odnawialnej pochodzącej z otoczenia uzyskano znacznie korzystniejszą wartość EP: 89,9 kWh/(m² rok) dla pompy powietrznej oraz 77,0 kWh/(m² rok) dla pompy gruntowej.

Najniższą wartość EP uzyskano dla kotła opalanego biomasą: 36,9 kWh/(m² rok).

W przypadku paliw kopalnych uzyskano zbliżone wartości EP.

Niewielkie przekroczenie wartości dopuszczalnej w przypadku kotłowni olejowej mogłoby zostać stosunkowo łatwo zniwelowane dzięki poprawie rozwiązań w zakresie ochrony cieplnej budynku. W przypadku kotłowni węglowej wymagany poziom EP został wprawdzie przekroczony o przeszło 10 kWh/(m² rok), jednak mógłby on zostać osiągnięty poprzez poprawę ochrony cieplnej budynku i/lub zwiększenie udziału energii pochodzącej z kolektorów słonecznych.

Czytaj też: Kontrowersje wokół Warunków Technicznych >>>

Porównanie emisji dwutlenku węgla

Kolejnym etapem analizy oddziaływania na środowisko było porównanie wielkości emisji szkodliwych substancji w ciągu roku.

Ze względu na fakt, że emisja poszczególnych substancji zależy nie tylko od rodzaju paliwa, ale również od konstrukcji kotła, wartości specyficznych wskaźników emisji mogą się zmieniać w dość szerokim zakresie.

Przykładowo w przypadku kotłów na paliwa stałe emisja pyłów może się zmieniać od ok. 62 g/GJ (dla kotłów 5 klasy) do ok. 620 g/GJ dla zasypowych kotłów pozaklasowych.

Zgodnie z wynikami analizy (rys. 3), podobnie jak w przypadku zużycia energii pierwotnej, najwyższą wartością emisji CO₂ charakteryzuje się ogrzewanie elektrycznymi grzejnikami akumulacyjnymi (5,2 t_CO2/rok). Znamienne jest jednak, że pomimo wyższego zużycia energii pierwotnej system wykorzystujący kocioł gazowy charakteryzuje się niższą emisją CO₂ (1,9 t_CO2/rok) niż systemy wykorzystujące powietrzną (2,4 t_CO2/rok) lub gruntową (2,1 t_CO2/rok) pompę ciepła.

Porównanie emisji pozostałych zanieczyszczeń – „niska emisja”

W przypadku emisji pozostałych zanieczyszczeń (pyły, SO₂, NO_x, B(_a)P) szczególnym zagrożeniem jest emisja ze źródeł lokalnych na wysokości poniżej 40 m (tzw. niska emisja). Z powodu braku efektywnego rozproszenia zanieczyszczeń może ona w istotny sposób wpływać na zdrowie okolicznych mieszkańców, a w szczególności prowadzić do powstawania smogu.

W przypadku źródeł ciepła zasilanych energią elektryczną proces spalania realizowany jest zazwyczaj w znacznym oddaleniu od budynków mieszkalnych, a spaliny odprowadzane są na znacznie większą wysokość, co umożliwia skuteczne ich rozproszenie w atmosferze, w konsekwencji zmniejsza stężenie zanieczyszczeń oraz ogranicza ich szkodliwy wpływ na zdrowie. Z tego względu dla źródeł zasilanych energią elektryczną emisja powinna być interpretowana w inny sposób niż dla źródeł lokalnych i została wyróżniona na rys. 4.

Otrzymane wyniki wykazały znaczne zróżnicowanie poziomu emisji poszczególnych substancji dla analizowanych systemów. Szczególnie widoczna jest bardzo wysoka wartość emisji pyłów w przypadku kotła opalanego węglem (0,70 kg/rok) oraz biomasą (0,64 kg/rok). Ze względu na charakterystykę paliw kocioł węglowy cechuje się jednak znacznie większą emisją SO₂ (9,8 kg/rok), podczas gdy kocioł opalany biomasą ma najwyższy wskaźnik emisji benzo(a)pirenu (0,26 g/rok).

Nieco mniejsze różnice występują w przypadku emisji NO_x, która zmienia się od 1,2 kg/rok (dla kotła gazowego) do 4,5 kg/rok (w przypadku kotła węglowego).

Czytaj też: Wykorzystanie ciepła odpadowego do zwiększenia efektywności energetycznej pompy ciepła powietrze/woda pracującej w warunkach klimatu górskiego >>>

Aspekty ekonomiczne

W ramach przeprowadzonej analizy porównano efektywność ekonomiczną poszczególnych systemów grzewczych w 15-letnim cyklu życia, przy założeniu stopy dyskonta na poziomie 3%. W tym celu na podstawie obliczonego zapotrzebowania na energię końcową oraz kosztów dostawy nośników energii (tab. 4) określono koszty zakupu energii na cele grzewcze.

Dane uzupełniono następnie o wysokość podstawowych kosztów obsługi źródeł ciepła oraz wartość nakładów inwestycyjnych, z uwzględnieniem zarówno kosztów samego źródła ciepła, jak i pozostałych niezbędnych elementów analizowanych systemów zaopatrzenia w ciepło (tab. 5).

Efektywność ekonomiczną poszczególnych systemów wyrażono za pomocą dwóch wskaźników:

• LCC – koszt w cyklu życia, obliczony jako suma zdyskontowanych w 15-letnim cyklu życia nakładów finansowych,
• ZKE – zdyskontowany koszt energii, obliczony jako stosunek kosztów w cyklu życia odniesiony do zdyskontowanej sumy ciepła dostarczonego przez źródło w cyklu życia.

Zgodnie z wynikami obliczeń wykonanych dla analizowanego budynku koszty ogrzewania w 15-letnim cyklu życia byłyby najniższe przy wykorzystaniu kotła węglowego (LCC = 35 432 zł, ZKE = 0,60 zł/kWh).

Pomimo najniższych kosztów eksploatacyjnych najmniej opłacalne okazały się systemy oparte na pompach ciepła, co jest spowodowane wysokim udziałem nakładów inwestycyjnych (rys. 5).

Co ciekawe, dla przyjętych założeń ogrzewanie elektryczne okazało się bardziej opłacalne (LCC = 41 204 zł, ZKE = 0,70 zł/kWh) niż zastosowanie kotła na biomasę, olej opałowy, a nawet gaz ziemny (LCC = 42 319 zł, ZKE = 0,72 zł/kWh). Było to możliwe dzięki:

• stosunkowo niewielkim nakładom inwestycyjnym (brak odrębnego źródła ciepła, kosztownego wyposażenia kotłowni, dodatkowego przyłącza lub zasobnika paliwa),
• wykorzystaniu niższej taryfy nocnej oraz opłat stałych związanych z dostawą innych nośników energii,
• uniknięciu okresowych przeglądów kotła oraz instalacji kominowej.

Podsumowanie i wnioski

W przypadku nowo wznoszonych budynków pomimo stosunkowo niskiego zapotrzebowania na energię końcową spełnienie warunku EP_max przy wykorzystaniu ogrzewania elektrycznego wymagałoby znacznych nakładów inwestycyjnych związanych z ograniczeniem zapotrzebowania na energię końcową oraz wykorzystaniem energii odnawialnej.

Analiza emisji szkodliwych substancji do atmosfery wykazała, że w kontekście przeciwdziałania globalnemu ociepleniu ogrzewanie elektryczne (bez wykorzystania pomp ciepła) cechuje się 2–3-krotnie wyższym wskaźnikiem emisji dwutlenku węgla do atmosfery niż systemy wykorzystujące kotły na paliwa kopalne (w tym węgiel).

Z kolei analiza zanieczyszczeń przyczyniających się do powstawania smogu wykazała, że ogrzewanie elektryczne charakteryzuje się niższymi wartościami emisji w stosunku do wykorzystania kotłowni lokalnych na paliwa stałe (w tym biomasę). Ponadto emisja szkodliwych substancji występuje na znacznej wysokości i w oddaleniu od skupisk ludzkich, co umożliwia jej skuteczne rozproszenie, a dzięki mniejszym stężeniom zanieczyszczeń ograniczenie szkodliwego wpływu na zdrowie.

Pomimo stosunkowo wysokiej jednostkowej ceny energii elektrycznej wykorzystanie taryf pozaszczytowych, niższe nakłady inwestycyjne, koszty stałe dostawy energii oraz koszty obsługi systemu grzewczego sprawiają, że w przypadku nowych budynków o niedużym zapotrzebowaniu na ciepło (tj. spełniającym wymagania WT 2017) ogrzewanie elektryczne może być konkurencyjne ekonomicznie w porównaniu do systemów tradycyjnie uważanych za rozwiązania tańsze, takich jak kocioł gazowy.

Literatura

1. Cholewa T., Siuta-Olcha A., Analiza efektywności energetycznej wybranych systemów grzewczych stosowanych w budynkach wielorodzinnych, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 9/2014.
2. Jadwiszczak P., Nowe wymagania, jakim powinny odpowiadać budynki. Możliwość spełnienia wymagań EP, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2014.
3. Kubski P., O możliwości poprawy wskaźnika EP budynku przez zastosowanie pompy ciepła, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 10/2011.
4. Pitry R., Czy nadal możliwa jest w Polsce budowa domu jednorodzinnego ogrzewanego kotłem na paliwo węglowe bez zastosowania dodatkowych rozwiązań?, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 6/2014.
5. Trząski A., Wymagania dla budynków po 2020 roku a rozwiązania konwencjonalne i OZE cz. 1, „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2015.
6. Trząski A., Wymagania dla budynków po 2020 roku a rozwiązania konwencjonalne i OZE cz. 2, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2015.
7. Trząski A., Przykład dostosowania budynku biurowego do wymagań w zakresie EP po roku 2020, „Materiały Budowlane” nr 1/2016.
8. Reizer M., Juda-Rezler K., Maciejewska K., Source apportionment of episodic PM10 air pollution in Polish urban areas, „ProScience” 2014, Vol. 1, Digilabs S.a.s.
9. Świtalska K., Dwie twarze niskiej emisji, „Logistyka Odzysku” nr 4/2014.
10. Zawada M., Starostka-Patyk M., Energy Efficiency in the Context of Low-stack Emissions Reduction on the Example of the City of Czestochowa, „Transportation Research Procedia” 2016, Vol. 16.
11. Kaczmarczyk M. et al., Niska emisja. Od przyczyn występowania do sposobów eliminacji, Geosystem, Kraków 2015.
12. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2013, poz. 926).
13. 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 2014, poz. 888).
14. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (DzU nr 89/1994, poz. 414, z późn. zm.).
15. PN-EN ISO 13790:2009 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia.
16. Prognoza pokrycia zapotrzebowania szczytowego na moc w latach 2016–2035, materiał informacyjny opracowany w Departamencie Rozwoju Systemu PSE S.A., 2016.
17. Wskaźniki emisyjności CO₂, SO₂, NO_x, CO, i TSP dla energii elektrycznej na podstawie informacji zawartych w Krajowej bazie o emisjach gazów cieplarnianych i innych substancji za 2015 rok, KOBiZE, 2017.
18. Instrukcja wypełnienia części ekologiczno-technicznej wniosku składanego w ramach Programu Pilotażowego KAWKA, WFOŚiGW, 2013.
19. Sobolewski A., Matuszek K., Możliwości techniczno-technologiczne poprawy jakości powietrza w sezonie grzewczym, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, konferencja z cyklu „Skuteczny program finansowania poprawy jakości powietrza w Subregionie Sądeckim”, Nowy Sącz, 31 marca 2014.

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