Koszty instalacji centralnego ogrzewania w budynku jednorodzinnym

W instalacjach centralnego ogrzewania budynków jednorodzinnych wykorzystuje się grzejniki konwekcyjne, ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe, sufitowe i ścienne) lub systemy mieszane (ogrzewanie płaszczyznowe we współpracy z grzejnikowym) [2].

Ogrzewanie grzejnikowe (grzejniki rurowe i płytowe) było przez wiele lat najpopularniejszym systemem grzewczym w budynkach jednorodzinnych.

• Wśród zalet tego systemu należy wymienić małą bezwładność cieplną, łatwą regulację hydrauliczną i niski koszt inwestycyjny.
• Wśród wad ogrzewania grzejnikowego wymienia się z kolei względy estetyczne.

Ogrzewanie grzejnikowe współpracuje z wysokotemperaturowymi źródłami ciepła, np. kotłami na paliwo stałe (ekogroszek, biomasa) oraz niskotemperaturowymi.

Przy niskiej temperaturze czynnika grzewczego w celu zapewnienia wymaganej wydajności cieplnej powierzchnie grzejników muszą być duże.

Spośród systemów ogrzewania płaszczyznowego w budynkach jednorodzinnych najczęściej wykorzystywane jest ogrzewanie podłogowe w systemie mokrego montażu [8].

Systemy ogrzewania podłogowego zapewniają poprawę komfortu cieplnego w pomieszczeniach w stosunku do wysokotemperaturowych oraz niskotemperaturowych systemów grzejnikowych [4]. Są też od nich bardziej energooszczędne, gdyż zapewniają komfort cieplny przy niższej temperaturze czynnika grzewczego (<55°C) [11].

Obniżenie temperatury wody powoduje mniejsze zużycie paliwa i poprawę sprawności niskotemperaturowych źródeł ciepła [6]. Z tego względu systemy ogrzewania płaszczyznowego zalecane są przy stosowaniu kotłów kondensacyjnych gazowych i źródeł wykorzystujących odnawialne źródła energii (pomp ciepła) [1].

W przypadku pomp ciepła, które są zasilane energią elektryczną, zastosowanie ogrzewania podłogowego pozwala na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych, ponieważ duża pojemność cieplna grzejnika umożliwia utrzymanie komfortu cieplnego w pomieszczeniu nawet po zatrzymaniu dopływu czynnika grzewczego. Pozwala to na korzystanie z nocnej taryfy elektrycznej przy jednoczesnym zachowaniu korzyści w zakresie oszczędności energii wynikających z użytkowania ogrzewania podłogowego [7].

Wśród wad grzejników podłogowych wymienia się dużą bezwładność cieplną wynikającą z masy konstrukcji grzejnika oraz pojemności wodnej instalacji, która skutkuje problemami z regulacją.

Ograniczeniem w stosowaniu ogrzewania podłogowego jest maksymalna wydajność cieplna związana z maksymalną dopuszczalną temperaturą podłogi, która wynosi 29°C w takich pomieszczeniach, jak pokój, salon czy kuchnia, i 33°C w łazienkach.

W pomieszczeniach o małej powierzchni, w których podłoga jest w znacznym stopniu zajęta przez wyposażenie, oraz w budynkach o niskiej izolacyjności cieplnej przegród zastosowanie ogrzewania podłogowego może być niewystarczające do pokrycia całkowitego zapotrzebowania na ciepło budynku [1, 15].

Systemy ogrzewania płaszczyznowego wymagają na etapie projektowania dokładnego zaplanowania lokalizacji wyposażenia pomieszczeń, takich jak meble i dywany, oraz konsultacji międzybranżowych ze względu na ingerencję w konstrukcję budynku [15].

Istotną wadą ogrzewania podłogowego są wysokie koszty inwestycyjne. W literaturze określono, że koszt inwestycyjny ogrzewania podłogowego jest wyższy o ok. 30% od kosztów ogrzewania grzejnikowego, przy czym są to dane sprzed kilku lat [15].

W budownictwie jednorodzinnym popularne jest stosowanie systemu mieszanego, w którym część pomieszczeń jest ogrzewana za pomocą grzejników podłogowych (np. salon, kuchnia, łazienka), a inne za pomocą grzejników konwekcyjnych (sypialnie). Układy takie mogą być zaprojektowane na tę samą temperaturę czynnika grzewczego, następuje wówczas zwiększenie wymiarów grzejników konwekcyjnych, lub różną: wyższą na grzejnikach, a niższą na ogrzewaniu podłogowym.

W artykule podjęto próbę oszacowania kosztów wykonania instalacji centralnego ogrzewania w budynku jednorodzinnym w trzech wariantach: ogrzewanie podłogowe, ogrzewanie grzejnikowe i system mieszany.

• Analizę kosztów ogrzewania podłogowego i mieszanego przeprowadzono dla różnych typów termostatów pokojowych, sposobu zmieszania wody grzejnej i wymuszenia przepływu czynnika grzewczego. Natomiast analizę ogrzewania grzejnikowego przeprowadzono dla trzech wartości temperatury czynnika grzewczego.
• Oszacowano koszty eksploatacje ogrzewania budynku za pomocą kotła gazowego kondensacyjnego oraz pompy ciepła typu powietrze/woda i glikol/woda z pionowym gruntowym wymiennikiem ciepła.
• Przedstawiono, jak wybór rodzaju instalacji centralnego ogrzewania oraz temperatura czynnika grzewczego wpływają na koszty eksploatacyjne budynku.

Opis analizowanego budynku

Analizę kosztów instalacji centralnego ogrzewania przeprowadzono dla domu jednorodzinnego parterowego niepodpiwniczonego, zlokalizowanego w III strefie klimatycznej w Polsce, o powierzchni 123,2 m2 i projektowym obciążeniu cieplnym 7,188 kW.

Wszystkie przegrody spełniają wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej określone dla budynków wybudowanych po 1 stycznia 2017 r. w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [12].

Rzut budynku oraz obciążenie cieplne poszczególnych pomieszczeń przedstawia rys. 1.

Budowa instalacji c.o.

W budynku zaprojektowano trzy warianty instalacji centralnego ogrzewania: ogrzewanie podłogowe w systemie mokrego montażu, grzejnikowe oraz układ mieszany. Rozdzielacze zostały usytuowane w kotłowni budynku.

W instalacji ogrzewania podłogowego zaprojektowano 14 obiegów grzewczych z rur PE-RT/Al/PERT o średnicy 16×2 mm, zasilanych za pomocą dwóch rozdzielaczy (rys. 2, tab. 1).

Parametry czynnika grzewczego wynoszą 45/35°C.

Przy obu rozdzielaczach zaprojektowano pompę i zawór termostatyczny trójdrogowy mieszający, dzięki któremu możliwa jest regulacja temperatury czynnika grzewczego.

W celu ułatwienia regulacji hydraulicznej rozdzielacze są wyposażone we wskaźniki przepływu oraz zawory regulacyjne z siłownikami, które podłącza się za pomocą listwy elektrycznej do termostatów usytuowanych w pomieszczeniach. Umożliwia to ustawienie żądanej temperatury i dostosowanie parametrów czynnika grzewczego do aktualnego zapotrzebowania na ciepło w pomieszczeniu.

Salon i korytarz podzielono na dwie strefy, w których temperatura jest regulowana za pomocą dwóch termostatów.

W pozostałych pomieszczeniach zaprojektowano po jednym regulatorze temperatury. Montaż ogrzewania podłogowego – za pomocą takera i klipsów.

Drugi wariant obliczeń to instalacja z grzejnikami płytowymi i rurowymi. Parametry czynnika grzewczego wynoszą 55/45°C, 50/40°C oraz 45/35°C (rys. 3, tab. 2).

Zastosowano układ rozdzielaczowy, dzięki któremu eliminuje się wykonywanie połączeń rur w warstwie wylewki. Regulacja temperatury w pomieszczeniach następuje za pomocą zaworów termostatycznych zamontowanych przy grzejnikach.

Zaprojektowano pompę obiegową, brak jest w układzie zaworu mieszającego.

W układzie mieszanym (rys. 4) ogrzewanie podłogowe zaprojektowano w wiatrołapie, salonie, korytarzu, łazience oraz kuchni, a grzejniki płytowe w sypialniach.

W układzie są dwa rozdzielacze: ogrzewanie podłogowe – osiem obiegów, grzejnikowe – trzy obiegi.

Przy rozdzielaczu ogrzewania podłogowego zaprojektowano pompę i zawór mieszający.

Zestawienie kosztów inwestycyjnych instalacji centralnego ogrzewania

Na wielkość nakładów inwestycyjnych ogrzewania grzejnikowego wpływ ma wiele zmiennych, m.in.:

• typ rur (PE-X, PE-RT, rury wielowarstwowe PE-X/Al/PE-X i PE-RT/Al/PE-RT),
• rodzaj grzejników (płytowe gładkie, profilowane, dekoracyjne) i sposób ich podłączenia (boczne, dolne, środkowe, za pomocą zestawów przyłączeniowych),
• typ instalacji (rozdzielaczowa, trójnikowa),
• izolacja cieplna przewodów.

W przypadku ogrzewania podłogowego na nakłady inwestycyjne dodatkowo wpływają:

• wyposażenie rozdzielaczy (wskaźniki przepływu, wkładki zaworowe, odpowietrzniki),
• zestaw pompowo-mieszający (osobno dobrana pompa i zawór mieszający lub zestawy oferowane przez producentów),
• izolacja cieplna (grubość, wytrzymałość na ściskanie, współczynnik przewodzenia ciepła),
• system montażu (suchy, mokry, z wykorzystaniem klipsów, płyt profilowanych),
• zastosowana regulacja (rodzaj termostatów pokojowych, automatyka przewodowa lub bezprzewodowa).

Ponadto na koszty inwestycyjne ogrzewania podłogowego wpływa wykonanie grubszej warstwy wylewki oraz stosowanie dodatku do jastrychu. Wykorzystanie ogrzewania podłogowego w salonie czy sypialni wiąże się z zakupem materiałów wykończeniowych podłogi dostosowanych do tego typu ogrzewania, co również może podwyższać koszty systemu.

Oszacowano koszty inwestycyjne dla czterech wariantów ogrzewania podłogowego:

• wariant I: termostaty przewodowe analogowe oraz pompa i zawór mieszający trójdrogowy,
• wariant II: termostaty przewodowe analogowe oraz grupa pompowa z zaworem mieszającym,
• wariant III: termostaty przewodowe cyfrowe oraz pompa i zawór mieszający trójdrogowy,
• wariant IV: termostaty przewodowe cyfrowe oraz grupa pompowa z zaworem mieszającym.

Opór cieplny izolacji podłogi na gruncie spełnia wymagania w zakresie izolacyjności cieplnej określone dla ogrzewania podłogowego w normach PN-EN 1264 [10] oraz PN-EN ISO 11855 [9]. W związku z tym dobrano minimalną grubość styropianu z folią z liniami siatki w celu ułatwienia montażu przewodów ogrzewania podłogowego.

Szczegółowe zestawienie elementów instalacji grzewczej oraz ich kosztów dla wariantu I obliczeń ogrzewania podłogowego przedstawia tab. 3.

Zestawienie kosztów inwestycyjnych ogrzewania grzejnikowego przedstawiono w tab. 4, a ogrzewania mieszanego z wariantem I ogrzewania podłogowego w tab. 5.

W większości przypadków przyjęto materiały jednego producenta [14]. Koszty dla pozostałych wariantów różnią się w odniesieniu do pompy, zaworu mieszającego oraz termostatów.

Analiza kosztów inwestycyjnych instalacji centralnego ogrzewania

Najniższe koszty inwestycyjne ogrzewania podłogowego występują dla wariantu I obliczeń, czyli przy zastosowaniu termostatów analogowych, w których ustawianie temperatury odbywa się za pomocą ręcznego pokrętła oraz osobnej pompy i zaworu mieszającego (rys. 5).

Zastosowanie grupy mieszającej oferowanej przez producenta systemu ogrzewania podłogowego (wariant II) zwiększa koszty instalacji o ok. 15 zł na 1 m² ogrzewanej powierzchni budynku. Zastosowanie jednocześnie termostatów cyfrowych oraz grupy pompowo-mieszającej zwiększa nakłady inwestycyjne na ogrzewanie podłogowe o ok. 24 zł/m² (rys. 6).

Przy założeniu, że temperatura czynnika grzewczego w ogrzewaniu grzejnikowym wynosi 55/45°C, zastosowanie w całym domu ogrzewania podłogowego zamiast grzejnikowego spowoduje wzrost kosztów inwestycyjnych o od 38% w wariancie I do 59% w wariancie IV (rys. 5). Zastosowanie instalacji mieszanej (ogrzewanie podłogowe w salonie, korytarzach, łazience i kuchni) spowoduje wzrost kosztów o 19–31% w stosunku do instalacji z grzejnikami o parametrach 55/45°C.

Zmniejszenie temperatury zasilania czynnika grzewczego ogrzewania grzejnikowego z 55 na 50°C spowodowało wzrost nakładów inwestycyjnych na instalację centralnego ogrzewania o ok. 32%, a z temperatury 55 na 45°C o ok. 65%. Tym samym nastąpiła zmiana w zakresie różnic między kosztami inwestycyjnymi ogrzewania podłogowego, grzejnikowego i mieszanego.

Przy założeniu, że temperatura czynnika grzewczego w ogrzewaniu grzejnikowym wynosi 50/40°C, zastosowanie w całym domu ogrzewania podłogowego zamiast grzejnikowego spowoduje wzrost kosztów inwestycyjnych o od 4,5% w wariancie I do 20% w wariancie IV.

Zastosowanie instalacji mieszanej (ogrzewanie podłogowe w salonie, korytarzach, łazience i kuchni) spowoduje spadek kosztów dla wariantu I ogrzewania podłogowego oraz wzrost kosztów dla pozostałych wariantów o 3–8% w stosunku do ogrzewania grzejnikowego o parametrach 50/40°C.

Przyjmując temperaturę czynnika grzewczego w ogrzewaniu grzejnikowym na poziomie 45/35°C, koszty inwestycyjne ogrzewania grzejnikowego oraz mieszanego są wyższe od kosztów ogrzewania podłogowego zainstalowanego w całym budynku jednorodzinnym dla czterech analizowanych wariantów układu pompowo-mieszającego i termostatów pokojowych (rys. 6 i rys. 7).

Koszty eksploatacyjne ogrzewania budynku jednorodzinnego

W analizie kosztów eksploatacyjnych uwzględniono trzy niskotemperaturowe źródła ciepła: kocioł gazowy kondensacyjny, pompę ciepła typu powietrze/woda oraz pompę ciepła typu glikol/woda z pionowym gruntowym wymiennikiem ciepła.

Koszty eksploatacyjne oszacowano za pomocą programu [5].

Rzeczywiste koszty są zależne od warunków pracy źródła ciepła w ciągu roku, m.in.: temperatury powietrza zewnętrznego, preferencji użytkowników co do temperatury w pomieszczeniach, temperatury źródła dolnego w pompach ciepła.

Koszty eksploatacyjne ogrzewania budynku kotłem gazowym kondensacyjnym oszacowano na podstawie średniej rocznej sprawności kotła współpracującego z ogrzewaniem grzejnikowym, podłogowym lub mieszanym (tab. 6).

Sprawności kotła zaczerpnięto z pracy [3] i są to wartości wyznaczone na podstawie badań doświadczalnych 60 kotłów gazowych pracujących w domach jednorodzinnych.

W przypadku ogrzewania domu za pomocą kotła gazowego kondensacyjnego najniższe koszty eksploatacyjne wiążą się z zastosowaniem ogrzewania podłogowego ze względu na wysoką sprawność kotła. Oszacowane roczne koszty eksploatacyjne ogrzewania budynku z ogrzewaniem podłogowym są niższe o ok. 6% niż w przypadku domu z ogrzewaniem grzejnikowym lub mieszanym.

Do obliczeń kosztów eksploatacyjnych gruntowej i powietrznej pompy ciepła wykorzystano roczny współczynnik efektywności pomp ciepła SCOP, którego wartości wyznaczono za pomocą programu WP-OPT (tab. 7) [13].

Uwzględniono koszty ogrzewania ciepłej wody użytkowej, przyjmując rodzinę czteroosobową i zużycie wody 50 dm³/osobę×dzień.

Najniższe koszty eksploatacyjne analizowanego budynku przy ogrzewaniu pompą ciepła występują, kiedy temperatura czynnika grzewczego jest równa 30°C. Taka temperatura jest możliwa do zastosowania jedynie wtedy, gdy dom jest wyposażony w system ogrzewania płaszczyznowego.

Wzrost temperatury czynnika grzewczego powoduje spadek sprawności pompy ciepła, a tym samym zwiększenie kosztów eksploatacyjnych: wzrost temperatury czynnika z 45 na 55°C skutkuje wzrostem kosztów eksploatacyjnych pompy gruntowej o ok. 8%, a powietrznej o 7,5%.

Wnioski

Podczas wyboru instalacji centralnego ogrzewania – grzejnikowego, podłogowego lub mieszanego – należy wziąć pod uwagę nakłady inwestycyjne oraz rodzaj źródła ciepła.

Zastosowanie określonego typu instalacji centralnego ogrzewania o danej temperaturze czynnika grzewczego wpływa na koszty eksploatacyjne ogrzewania budynku.

Koszty inwestycyjne analizowanych trzech typów instalacji centralnego ogrzewania zależą od zastosowanych materiałów oraz od temperatury czynnika grzewczego.

Obniżenie temperatury czynnika grzewczego w ogrzewaniu grzejnikowym skutkuje znacznym wzrostem nakładów inwestycyjnych, których wielkość może przewyższyć koszt wykonania ogrzewania podłogowego w całym budynku. Dodatkowo duże wymiary grzejników dla niskich parametrów czynnika grzewczego mogą utrudniać ich usytuowanie w budynku.

Ogrzewanie grzejnikowe jest tańsze od ogrzewania podłogowego lub mieszanego w przypadku zastosowania wysokotemperaturowych źródeł ciepła, np. kotłów na biomasę.

W analizowanym budynku nakłady inwestycyjne na ogrzewanie grzejnikowe są niższe od kosztów ogrzewania podłogowego, gdy temperatura czynnika jest wyższa od temperatury zasilania ogrzewania podłogowego (ogrzewanie grzejnikowe 55°C, podłogowe 45°C).

Jednocześnie przy podwyższeniu temperatury czynnika w ogrzewaniu grzejnikowym z 45 na 55°C roczne koszty eksploatacyjne ogrzewania budynku za pomocą niskotemperaturowych źródeł ciepła rosną o 6–8%.

Koszty ogrzewania podłogowego można obniżyć, wybierając zamiast grupy mieszająco-pompowej oferowanej przez producentów osobną pompę i zawór trójdrogowy oraz poprzez wybór mniej zaawansowanych technologicznie termostatów pokojowych.

Nie zaleca się rezygnowania z rozdzielaczy wyposażonych we wkładki zaworowe do montażu głowic termoelektrycznych ze względu na późniejsze trudności w regulacji ogrzewania podłogowego.

Zmniejszenie kosztów inwestycyjnych wskutek rezygnacji z termostatów pokojowych będzie wpływać na brak komfortu cieplnego wśród użytkowników.

Zastosowanie ogrzewania podłogowego wpływa na obniżenie kosztów eksploatacyjnych domu ogrzewanego za pomocą analizowanych niskotemperaturowych źródeł ciepła.

W przypadku pomp ciepła współpracujących z ogrzewaniem podłogowym dzięki dużej akumulacyjności płyty grzejnika koszty eksploatacyjne mogą być dodatkowo obniżone na skutek korzystania z tzw. nocnej taryfy energii elektrycznej.

Badania zostały zrealizowane w ramach pracy nr S/WBiIŚ/4/14 i sfinansowane ze środków na naukę MNiSW.

Literatura

1. Biernacka B., Ogrzewanie płaszczyznowe – wybrane przesłanki wyboru systemu, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2014, s. 30–33.
2. Hasan A., Kurnitski J., Jokiranta K., A combined low temperature water heating system consisting of radiators and floor heating, „Energy and Buildings”, Vol. 41, Issue 5 (2009), p. 70–479.
3. Jeleń I., Wyniki monitoringu pracy 67 kotłów w warunkach rzeczywistych. Od czego zależy sprawność kotła kondensacyjnego, „Instal Reporter” nr 9/2014, s. 15–17.
4. Juusela M.A. (red.), Heating and Cooling with Focus on Increased Energy Efficiency and Improved Comfort, Guidebook to IEA ECBCS, Annex 37. Low Energy Systems for Heating and Cooling of Buildings, VTT Building and Transport, Espoo 2003.
5. Kalkulator kosztów ogrzewania 09_2017, www.viessmann.pl.
6. Karabay H., Arıcı M., Sandık M., A numerical investigation of fluid flow and heat transfer inside a room for floor heating and wall heating systems, „Energy and Buildings”, Vol. 67 (2013), p. 471–478.
7. Lin Z., Zhang S., Fu X., Wang Y., Investigation of floor heating with thermal storage, „Journal of Central South University of Technology”, Vol. 13, Issue 4 (2006), p. 399–403.
8. Myhren J.A., Holmberg S., Flow patterns and thermal comfort in a room with panel, floor and wall heating, „Energy and Buildings”, Vol. 40, Issue 4 (2008), p. 524–536.
9. PN-EN ISO 11855-5:2015-10 Projektowanie środowiska w budynku. Projektowanie, wymiarowanie, instalacja oraz regulacja wbudowanych systemów ogrzewania i chłodzenia przez promieniowanie. Część 5: Instalacja.
10. PN-EN 1264-4:2009. Instalacje wodne grzewcze i chłodzące płaszczyznowe. Część 4: Instalowanie.
11. Rosiński M., Cholewa T., Spik Z., Siuta-Olcha A., Panel heating systems while thermal comfort and energy saving in residential building, w: „Management of Indoor Air Quality”, Dudzińska M. (red.), Taylor & Francis Group, London 2011, p. 81–90.
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. www.kalkulatorscop.pl (październik 2017).
14. www.sankom.pl (październik 2017).
15. Żukowski M., Ogrzewanie podłogowe, Politechnika Białostocka, Białystok 2009.