Gazowe przepływowe ogrzewacze wody z zamkniętą komorą spalania

Przeprowadzono analizę mającą na celu sprawdzenie, czy zastosowanie gazowych urządzeń z zamkniętą komorą spalania do przygotowania c.w.u. w budynkach mieszkalnych jest uzasadnione ekonomicznie. W analizie ujęto:

• koszty eksploatacyjne,

• koszty inwestycyjne i czas zwrotu nakładów.

Przy podejmowaniu decyzji o sposobie zapewnienia c.w.u. w mieszkaniu należy przeanalizować kilka czynników, tj. potrzeby domowników, komfort użytkowania, możliwości techniczne i aspekty ekonomiczne. Ważne jest, przy pomocy jakiego nośnika energii będzie podgrzewana woda. W razie braku możliwości zaopatrywania w ciepłą wodę z centralnej kotłowni lub węzła cieplnego do wyboru pozostaje wykorzystanie gazu ziemnego, lub energii elektrycznej. Jeśli tylko istnieją możliwości techniczne zainstalowania urządzeń gazowych, to są one chętniej wykorzystywane, gdyż energia cieplna uzyskiwana z gazu ziemnego jest tańsza niż z wykorzystaniem elektryczności.

Koszty eksploatacyjne

Porównano koszty uzyskania 1 m³ c.w.u.:

• z sieci ciepłowniczej,

• przy użyciu elektrycznego przepływowego podgrzewacza wody,

• za pomocą gazowego przepływowego ogrzewacza wody z otwartą komorą spalania,

• za pomocą gazowego przepływowego ogrzewacza wody z zamkniętą komorą spalania.

W analizie nie uwzględniono wytwarzania c.w.u. przez gazowe kotły dwufunkcyjne, gdyż ze względu na ich zbliżoną sprawność do przepływowych ogrzewaczy wody z zamkniętą komorą spalania koszty są podobne. Dla wytypowanych metod zestawiono koszty wytwarzania 1 m³ c.w.u., a także koszty jej wytwarzania w cyklu miesięcznym i rocznym. Analizę wykonano dla przykładowego mieszkania w budynku wielokondygnacyjnym w Krakowie, zamieszkałego przez czteroosobową rodzinę. Przyjęto następujące założenia:

• zużycie ciepłej wody przypadające na jednego mieszkańca: 70 dm³/dobę,

• temperatura niepodgrzanej wody: 10°C,

• temperatura ciepłej wody: 55°C,

• wartość opałowa gazu wysokometanowego (grupa E): 34 000 kJ/m³.

Ceny nośników energii

Jedną z analizowanych metod uzyskiwania c.w.u. w budynkach wielokondygnacyjnych jest jej dostarczanie z miejskiej sieci ciepłowniczej. Na podstawie danych uzyskanych z jednej z krakowskich spółdzielni mieszkaniowych (pozyskującej ciepło z MPC) ustalono, że:

• cena 1 m³ zimnej wody wynosi 5,45 zł,

• koszt podgrzania 1 m³ zimnej wody wynosi 10,80 zł (stan na czerwiec 2008 r.).

Całkowity koszt 1 m³ c.w.u. podgrzanej przez sieć ciepłowniczą wynosi 16,25 zł. Dla potrzeb kolejnego analizowanego przypadku, czyli wytwarzania c.w.u. przy użyciu elektrycznego przepływowego podgrzewacza wody, przyjęto dla gospodarstwa domowego grupę taryfową G11. Charakteryzuje się ona wartością mocy umownej mniejszą od 40 kW, a cena 1 kWh kształtuje się na poziomie 0,43 zł (dane uzyskane z ZE Kraków – stan na czerwiec 2008 r.).

W przypadku stosowania gazowego przepływowego ogrzewacza wody nośnikiem energii jest gaz ziemny pozyskiwany od zakładu gazowniczego również stosującego różne taryfy. Taryfy używane do rozliczania gospodarstw domowych stosowane przez Karpacką Spółkę Gazowniczą przedstawiono w tabeli 1. W budynkach wielokondygnacyjnych, w których gaz ziemny używany jest najczęściej do przygotowywania posiłków i c.w.u., stosowane są dwie pierwsze taryfy. Do dalszych obliczeń przyjęto grupę taryfową W-2.

Charakterystyka urządzeń

Do analizy wybrano następujące urządzenia:

• elektryczny ogrzewacz wody,

• gazowy ogrzewacz wody z otwartą komorą spalania,

• gazowy ogrzewacz wody z zamkniętą komorą spalania.

Wszystkie analizowane urządzenia charakteryzują się podobną znamionową mocą cieplną mieszczącą się w granicach 18–19,5 kW, natomiast dość znacznie różnią się ceną (tab. 2).

Metodyka obliczania ceny wytworzenia 1 m³ c.w.u.

Ciepło Q potrzebne do ogrzania 1 m³ wody od temperatury t1 (10°C) do temperatury t2 (55°C) obliczono na podstawie wzoru:

gdzie:
m – masa wody [kg],
ρ – gęstość wody [kg/m³],
V – objętość wody [m³],
c_w – ciepło właściwe wody [kJ/kg×°C],
t₁ – temperatura na wylocie z urządzenia [°C],
t₂ – temperatura na wlocie do urządzenia [°C].

Ilość energii elektrycznej zużytej na podgrzanie wody przez elektryczny przepływowy ogrzewacz wody wyznaczono z zależności:

gdzie:
η_e – sprawność urządzenia elektrycznego.

Jednostkowy koszt wytworzenia ciepłej wody użytkowej K_we przez urządzenia elektryczne obliczono następująco:

K_we = k_e x E + k_w  [zł/m³]                           (3)

gdzie:
k_e – jednostkowy koszt 1 kWh energii elektrycznej [zł/kWh],
k_w – koszt 1 m³ zimnej wody [zł/m³].

Objętość gazu ziemnego zużytego przez przepływowy ogrzewacz do podgrzania wody obliczono na podstawie wzoru:

gdzie: H_op – wartość opałowa gazu [kJ/m³],
η_g – sprawność urządzenia gazowego.

Jednostkowy koszt wytworzenia ciepłej wody użytkowej przez urządzenia gazowe K_wg wyznaczono ze wzoru:

K_wg = kg x V_g +k_w  [zł/m³]    (5)

gdzie:
kg – jednostkowy koszt 1 m³ gazu [zł/m³].

Koszty wytwarzania c.w.u.

W tabeli 3 i na rysunku 1 zestawiono ze sobą koszty uzyskania 1 m³ c.w.u. przy pomocy rozpatrywanych metod jej wytwarzania.

Uzyskane wyniki obliczeń należy traktować jako orientacyjne, gdyż ceny poszczególnych nośników energii różnią się od siebie w zależności od lokalizacji na terenie Polski, ponadto parametry urządzeń do wytwarzania c.w.u. mogą odbiegać od dobranych do obliczeń przykładowych ogrzewaczy. Podgrzewacz elektryczny charakteryzuje się zdecydowanie najwyższym kosztem wytwarzania c.w.u., jest on większy o ponad 40% od kosztów wytworzenia takiej samej ilości wody pozostałymi sposobami. Koszty wytwarzania c.w.u. dla pozostałych przypadków można uznać za zbliżone, jednak należy podkreślić, że najniższą cenę 1 m³ c.w.u. uzyskano dla gazowego ogrzewacza wody z zamkniętą komorą spalania.

Różnica pomiędzy urządzeniem gazowym z otwartą i zamkniętą komorą spalania wynosi ok. 3%. Rozbieżność ta byłaby większa, gdyby do obliczeń wykorzystać parametry nie ogrzewacza nowego (charakteryzującego się dość wysoką sprawnością 87%), ale urządzenia starszego typu z otwartą komorą spalania, których tysiące eksploatowane jest nadal w budynkach mieszkalnych. Interesujące jest zestawienie kosztów wytwarzania c.w.u. w ciągu miesiąca i roku dla statystycznej 4-osobowej rodziny (tabela 4).

Zastąpienie gazowego przepływowego ogrzewacza wody z otwartą komorą spalania urządzeniem z zamkniętą komorą daje roczną oszczędność rzędu 50 zł. Wartość tę należy traktować jako minimalną różnicę pomiędzy obydwoma urządzeniami, gdyż przy zastosowaniu koncentrycznych przewodów powietrzno-spalinowych sprawność urządzenia z zamkniętą komorą spalania może być wyższa od przyjętych 91% [3, 4].

Ponieważ koszty uzyskania c.w.u. przez urządzenia gazowe zależą od taryfy, dokonano również porównania tych kosztów dla ogrzewaczy z otwartą i zamkniętą komorą spalania. Uzyskane wyniki przedstawiono na rysunku 2, na którym dodatkowo zaznaczono czerwoną linią koszt c.w.u. z sieci ciepłowniczej.

Wytwarzanie c.w.u. przez urządzenia gazowe jest konkurencyjne w porównaniu do sieci ciepłowniczej taryfy W-2 i wyższych, natomiast różnica kosztów 1 m³ c.w.u. pomiędzy urządzeniem z otwartą i zamkniętą komorą spalania zmniejsza się wraz ze spadkiem wysokości taryfy.

Ponieważ kaloryczność gazu ziemnego wysokometanowego grupy E dostarczanego do użytkownika przez Zakład Gazowniczy może się wahać (przyjęto przedział 33–35 MJ/m³), na rysunku 3 przedstawiono koszt uzyskania 1m³ c.w.u. w zależności od wartości opałowej gazu dostarczanego do odbiorcy.

Kaloryczność stosowanego gazu wpływa na koszt uzyskania c.w.u., a graniczną wartością opałową, przy której jej produkcja jest bardziej opłacalna od sieci ciepłowniczej, jest 34 MJ/m³.

Jak już wspomniano, gazowe ogrzewacze wody przepływowej z zamkniętą komorą spalania charakteryzują się wysoką sprawnością. Często parametr ten jest wyższy niż przyjęta do obliczeń wartość 91%, np. przy zastosowaniu koncentrycznych przewodów powietrzno-spalinowych. Z kolei użytkowane od wielu lat ogrzewacze z otwartą komorą spalania mają często sprawność na poziomie ok. 80%. Dlatego dokonano też obliczeń wpływu sprawności na koszt wytworzenia 1 m³ c.w.u przez urządzenia gazowe (rys. 4).

Różnica między kosztami uzyskania 1 m³ c.w.u. w urządzeniach gazowych w skrajnych przypadkach (możliwych w rzeczywistości) wynosi ok. 11% i jest bardzo znacząca. Zastosowanie urządzenia o sprawności powyżej 90% jest ekonomicznie opłacalne, porównując z c.w.u. wytworzoną dzięki sieci ciepłowniczej.

Koszty inwestycyjne oraz czas zwrotu nakładów

Podstawową barierą dla szerokiego zastosowania gazowych przepływowych ogrzewaczy wody z zamkniętą komorą spalania jest konieczność adaptacji istniejących instalacji w budynkach wielokondygnacyjnych. Przy podejmowaniu decyzji o inwestycji istotna jest też informacja o czasie zwrotu poniesionych nakładów.

Do koniecznych nakładów inwestycyjnych oprócz wymiany starego urządzenia na nowe należy także doliczyć koszt zakupu przewodów powietrzno-spalinowych i ich instalacji. Stąd całkowity koszt instalacji K_c gazowych przepływowych ogrzewaczy wody z zamkniętą komorą spalania dla typowego budynku wielokondygnacyjnego można wyliczyć ze wzoru:

K_c = (K_u + K_k +K_a) n   [zł]                          (6)

gdzie:
K_u – koszt wymiany gazowego urządzenia do przygotowania ciepłej wody użytkowej [zł],
K_k – koszt wymiany systemu kominowego [zł],
K_a – koszt prac adaptacyjnych i instalacyjnych [zł],
n – liczba mieszkań.

Do obliczeń przyjęto jako przykład standardowy wielokondygnacyjny budynek mieszkalny z 40 mieszkaniami. Wyliczono poszczególne składniki kosztu zastosowania instalacji:
K_u = 2600 zł,
K_k = 1100 zł,
K_a = 1000 zł,
n = 40.

Dla tego przypadku całkowity koszt K_c wynosić będzie 188 000 zł, a w odniesieniu do pojedynczego mieszkania nakłady wyniosą 4700 zł. W obliczeniach czasu zwrotu poniesionych nakładów należy uwzględnić zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych oraz wartość kredytu na sfinansowanie inwestycji. Zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych wynika ze:

• zmniejszenia zużycia gazu dzięki wyższej sprawności urządzenia z zamkniętą komorą spalania,

• zmniejszenia strat ciepła związanych z ograniczeniem ilości powietrza potrzebnej do wentylacji pomieszczenia z urządzeniem gazowym typu C.

Czas zwrotu nakładów k dla 4-osobowej rodziny można w uproszczony sposób wyliczyć ze wzoru:

gdzie:
K_c – całkowity koszt związany z instalacją nowego urządzenia gazowego i modernizacją układu powietrzno-spalinowego [zł], przyjęto 4700 zł,
K_k – miesięczny koszt kredytu [zł/miesiąc],
K_e – zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych [zł], które wyznaczyć można na podstawie wzoru:

Ke =  Zg x  Cg + Kw     (8)

gdzie:
Kw – miesięczna oszczędność z powodu zmniejszenia ilości powietrza wentylacyjnego [zł],
Cg – cena gazu [zł/m³] – przyjęto 1,69 zł/m³,
Zg – zmniejszenie zużycia gazu dzięki zastosowaniu urządzenia gazowego z zamkniętą komorą spalania spowodowane wyższą efektywnością energetyczną [m³/miesiąc].

Z_g = Z_d - Z_w   [zł]           (9)

gdzie:
Z_d – zużycie gazu przez urządzenie gazowe z otwartą komorą spalania dla 4-osobowej rodziny [m³/miesiąc],
Z_w – zużycie gazu po wymianie urządzeń na ogrzewacz z zamkniętą komorą spalania dla 4-osobowej rodziny [m³/miesiąc].

Oszczędności spowodowane zmniejszeniem ilości powietrza potrzebnego do wentylacji obliczono dla mieszkania ogrzewanego przy pomocy urządzenia gazowego, stąd:

K_w =  Z_w x  C_g      [zł]          (10)

gdzie:
Z_w – zmniejszenie zużycia gazu do ogrzewania powietrza wentylacyjnego [m³/miesiąc].

Z kolei zmniejszenie zużycia gazu Z_w potrzebnego do ogrzewania powietrza wentylacyjnego obliczono z następującej zależności:

gdzie:
V_wp – zmniejszenie ilości powietrza wentylacyjnego [m³/miesiąc] – przyjęto 30 dni×24 h ×32 m³/h, co daje 23 040 m³/miesiąc,
c_p – ciepło właściwe powietrza [KJ/m³×°C],
t_w – temperatura powietrza wewnętrznego [°C] – przyjęto 20°C,
t_z – temperatura powietrza zewnętrznego [°C] – przyjęto 7°C (średnia roczna temperatura w Polsce),
H_op – wartość opałowa gazu [kJ/m³] – przyjęto 34 000 kJ/m³,
h_g – sprawność urządzenia gazowego – przyjęto 0,90.

Miesięczny koszt kredytu K_k obliczono na podstawie wzoru:

K_k = K_w x S_k     [zł]                       (12)

gdzie:
S_k – stopa procentowa kredytu [%/miesiąc],

Przyjęto oprocentowanie kredytu konsumpcyjnego w wysokości 12% rocznie. Istnieje możliwość uzyskania kredytu preferencyjnego, np. na cele termomodernizacyjne lub remontowe, w takim wypadku oprocentowanie wyniesie ok. 6,5–7%, a dodatkowo uzyskać można premię termomodernizacyjną polegającą na anulowaniu 20% kwoty kredytu.

Czas zwrotu nakładów dla inwestycji obliczono dla dwóch przypadków. W pierwszym z nich założono sprawność urządzeń na poziomie 87% dla ogrzewacza z otwartą komorą spalania i 91% – z zamkniętą komorą. Natomiast przypadek drugi dotyczy częstej sytuacji wymiany starego urządzenia o sprawności 80% na nowy ogrzewacz z zamkniętą komorą spalania podłączony do koncentrycznego przewodu powietrzno-spalinowego z odzyskiem ciepła i sprawnością na poziomie 95%. Wyniki przedstawiono w tabeli 5.

Przy nieuwzględnianiu kosztów kredytu czas zwrotu poniesionych nakładów w latach (dla przyjętych założeń i ceny gazu) dla 4-osobowej rodziny zamieszkałej w budynku wielokondygnacyjnym wynosi dla pierwszego wariantu 15,6, a dla drugiego – 10,7. Jeśli uwzględni się koszt kredytu komercyjnego, inwestycja nigdy się nie zwróci, gdyż miesięczny koszt kredytu będzie większy od uzyskanych oszczędności – wynika to z wysokich stawek oprocentowania. Sytuacja wygląda lepiej w przypadku wykorzystania preferencyjnego kredytu termomodernizacyjnego, ale uzyskane czasy zwrotu nakładów są długie. Przypadek drugi wypada zdecydowanie lepiej – czas zwrotu jest ponad trzykrotnie krótszy,  jednak ciągle dość wysoki.

Powyższe obliczenia czasu zwrotu nakładów dla całkowitych kosztów poniesionych przy instalacji systemów wykorzystujących ogrzewacze z zamkniętą komorą spalania nie odzwierciedlają sytuacji występujących w rzeczywistości. Inwestor często zmuszony jest do wymiany urządzeń gazowych, które mają nawet po kilkanaście lat. Ponadto ze względu na stan układów odprowadzania spalin w Polsce zaleca się również instalację nowego systemu kominowego. W takim wypadku jako podstawę do obliczania czasu zwrotu nakładów powinno się uwzględniać niecałkowity koszt instalacji, ale różnice kosztów, jakie należałoby ponieść, gdyby instalowano gazowe przepływowe ogrzewacza z otwartą lub z zamkniętą komorą spalania. Dla tej sytuacji poszczególne składniki kosztu wdrożenia takiej instalacji wynosić będą:

Założono sprawność urządzeń na poziomie 87% dla nowego ogrzewacza z otwartą komorą spalania i 91% – z zamkniętą komorą. Czas zwrotu nakładów obliczono dla dwóch przypadków, tj. gdy przy zastosowaniu ogrzewacza z otwartą komorą spalania przeprowadza się również renowację systemu kominowego (a koszt jej będzie mniej więcej taki jak dla systemu z zamkniętą komorą spalania) oraz bez renowacji (tabela 6).

W przypadku traktowania jako podstawy do obliczeń różnicy kosztów pomiędzy systemami z otwartą i zamkniętą komorą spalania otrzymywane czasy zwrotu nakładów są znacznie korzystniejsze. Szczególnie przy renowacji systemu spalinowego czasy zwrotu nakładów są bardzo korzystne (3,2 lat przy wykorzystaniu kredytu termomodernizacyjnego i 5,5 lat przy kredycie komercyjnym). W wariancie drugim uzyskane wyniki nie są już tak dobre, ale czas zwrotu bez wykorzystania kredytu można uznać za zadowalający (10,3 lat). Na korzyść  instalacji przepływowych ogrzewaczy wody z zamkniętą komorą spalania przemawiają ich zazwyczaj wyższe sprawności od założonej do obliczeń.

Należy podkreślić, że przy powyższych kalkulacjach nie brano pod uwagę bezpieczeństwa użytkowników urządzeń gazowych. Nie sposób ocenić wartości życia i zdrowia ludzkiego, a zastosowanie urządzeń gazowych z zamkniętą komorą spalania zapewnia niemalże stuprocentowe bezpieczeństwo ich użytkownikom. Ponadto ceny nośników energii ciągle rosną, co będzie poprawiało efektywność ekonomiczną takiego przedsięwzięcia. Wydaje się jednak, że bez wsparcia instytucjonalnego szersze zastosowanie tego typu rozwiązań będzie ograniczone, co wynika z konieczności poniesienia dużych nakładów inwestycyjnych, które jednak mają szanse się zwrócić. Należy dodać, że obowiązek wystawiania certyfikatów energetycznych dla nowo budowanych i sprzedawanych mieszkań wymuszać będzie stosowanie coraz efektywniejszych energetycznie urządzeń cieplnych, co dodatkowo sprzyjać będzie stosowaniu gazowych przepływowych ogrzewaczy wody z zamkniętą komorą spalania. Artykuł powstał w ramach badań własnych AGH 10.10.210.52

Literatura

1. Czerski G., Strugała A., Gebhardt Z., Urządzenia gazowe z zamkniętą komorą spalania do przygotowania c.w.u. – wymagania i metody, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 10/2007.

2. Czerski G., Gebhardt Z., Zastosowanie gazowych przepływowych ogrzewaczy wody z zamkniętą komorą, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2008.

3. Czerski G., Gebhardt Z., Badania eksploatacyjne urządzeń gazowych z zamkniętą komorą spalania do przygotowania ciepłej wody użytkowej, „COW” nr 11/2007.

4. Czerski G., Gebhardt Z., Badania gazowych przepływowych ogrzewaczy wody z zamkniętą komorą spalania podłączonych do różnych systemów kominowych, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 6/2008.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!