Analiza doboru źródła ciepła w budynku jednorodzinnym

Inwestor planujący budowę domu jednorodzinnego ma możliwość wyboru spośród wielu źródeł ciepła. Niesłabnącą popularnością cieszą się odnawialne źródła energii, np. pompy ciepła [4]. Dla inwestora ważnym zagadnieniem jest wybór technologii, dobór mocy oraz urządzenia grzewczego w budynku. Dostępnych jest wiele kalkulatorów i metod obliczeń kosztów systemów grzewczych. W artykule przedstawiono trzy z nich, przeprowadzono dobór mocy grzewczej i analizę dostępnych na rynku urządzeń spełniających przyjęte założenia. 

Analizowany budynek

Schemat doboru i obliczeń przedstawiono na bazie przykładowego projektu domu pracowni Lipińscy Domy (rys. 1). „Avalon” to duży dom o niskim wskaźniku rocznego jednostkowego zapotrzebowania na energię użytkową do celów ogrzewania i wentylacji (EU_co). Wartość tego wskaźnika pozwala na zaliczenie budynku do klasy domów nisko­energetycznych. Pozwala to na ograniczenie zużycia energii w celach grzewczych i obniżenie kosztów jego utrzymania. Niska wartość zapotrzebowania na ciepło jest dla inwestora dodatkowym atutem, bo umożliwia starania o dopłatę ze środków NFOŚiGW.

Dla doboru źródła ciepła najważniejszą informacją jest wskaźnik EU_co (tabela 1). Zawiera on informację o ilości energii wyprodukowanej przez układ grzewczy potrzebnej do zapewnienia komfortowej temperatury w ciągu całego roku. Można dzięki temu obliczyć zapotrzebowanie na ciepło oraz dobrać system grzewczy.

Analiza ekonomiczna rozwiązań

Na podstawie danych zawartych w tabeli 1 oraz informacji klimatycznych przeprowadzono analizę, wykorzystując trzy narzędzia: 

1. kalkulator oszczędności kosztów ogrzewania i c.w.u. zamieszczony na stronie firmy Nibe-Biawar [1],
2. skoroszyt obliczeń całkowitych kosztów rocznych wg PORT PC [2],
3. schemat obliczeń kosztów eksploatacyjnych budynku [3].

Narzędzie 1

Kalkulator oszczędności Nibe-Biawar [1] jest narzędziem pozwalającym na dokonanie prostej analizy kosztów. Do jej przeprowadzenia wymagane są informacje o powierzchni budynku, jego zapotrzebowaniu na ciepło (EU_co) oraz liczbie osób mieszkających w budynku (tabela 2). Program domyślnie ustala wartość zużycia wody – 50 l/os. oraz godzinowe zapotrzebowanie pełnej mocy – 2300 h. Parametry urządzeń grzewczych są podane domyślnie, jednak w razie potrzeby możliwa jest ich zmiana. Na potrzeby opracowania przyjęte zostały wartości szacowane. Podaje się wskaźnikowe zapotrzebowanie na ciepło zamiast zapotrzebowania energetycznego, co wymaga prostego przeliczenia wartości.

Po przeprowadzeniu obliczeń otrzymujemy dwa wykresy. Pierwszy (rys. 2, powstały na bazie tabeli 3) przedstawia roczne koszty eksploatacji danego systemu grzewczego.

Więcej informacji dla inwestora niesie ze sobą drugi wykres (rys. 3), przedstawiający skumulowane koszty użytkowania systemu grzewczego. Krzywa jest sumą kosztów inwestycyjnych (zakup urządzenia grzewczego wraz z dodatkowymi kosztami) oraz rocznych kosztów użytkowania systemu. Wykres pozwala na określenie w długim okresie całkowitych kosztów ogrzewania budynku.

Wykres kosztów zakumulowanych umożliwia wybór ekonomicznie najlepszego rozwiązania. Już pobieżna analiza pozwala stwierdzić, że najniższym zakumulowanym kosztem odznaczają cię kocioł gazowy (1) oraz pompy ciepła (gruntowa (2) i powietrzna (3)). Niski koszt inwestycji powoduje, że ogrzewanie kotłem gazowym jest najtańsze w początkowym okresie. Z kolei niższy koszt eksploatacji pompy ciepła umożliwia uzyskanie oszczędności już po czternastu latach od budowy domu. Instalacja gruntowej pompy ciepła pozwala na większe ograniczenie kosztów eksploatacyjnych, niestety instalacja takiego systemu wiąże się z koniecznością wykonania odwiertu, co zwiększa koszt całkowity. Gruntowa pompa ciepła osiąga niższą wartość skumulowanych kosztów względem pompy powietrznej w czasie dłuższym niż 25 lat. Jest to okres, dla którego producent zakłada pracę – po jego upływie urządzenie może wymagać kosztownych modernizacji lub całkowitej wymiany, co decyduje o nieopłacalności takiej inwestycji.

Narzędzie 2

Skoroszyt obliczeniowy udostępniany na portalu Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC) jest narzędziem bardziej rozbudowanym, umożliwiającym analizę z szerszymi założeniami. Pozwala na podanie również wartości podgrzewu wody czy określenie kosztów kredytu potrzebnego na zakup systemu ogrzewania. Dostępne warianty ogrzewania są również szersze i znacznie ciekawsze dla inwestora (tabela 3).

Oprócz podstawowych wartości zadanych, arkusz pozwala na dokładny dobór i zmianę parametrów sprawności, kosztów inwestycyjnych i kosztów eksploatacji – zwiększa to dokładność modelu. Zadanie wymaganych parametrów skutkuje otrzymaniem szeregu analiz w postaci wykresów, spośród nich do publikacji wybrano dwa. 

Pierwszy (rys. 4) przedstawia porównanie kosztów inwestycyjnych systemów grzewczych dla różnych wariantów wraz z kosztami dodatkowymi wymaganymi do działania systemu. Wariant A przedstawia ogrzewanie gazowym kotłem kondensacyjnym. Oprócz kosztu kotła dodatkową inwestycją jest podłączenie budynku do sieci gazowej oraz budowa przewodu spalinowego. Dodatkowym kosztem jest też instalacja systemu klimatyzacji zapewniającego chłód latem.

Wariant B przedstawia instalację pompy ciepła zasilanej gazem ziemnym. Rozwiązanie to jest mało popularne ze względu na wysoki koszt. Z kolei wariant C przedstawia instalację kotła opalanego peletem. Cechą tego rozwiązania jest konieczność obsługi urządzenia. Koszt jest porównywalny z kosztem kotła gazowego. Wariant D przedstawia rozwiązanie najtańsze inwestycyjnie – kocioł elektryczny. Jednak wariant ten będzie powodował najwyższe koszty eksploatacyjne. Warianty E i F zakładają użycie sprężarkowej powietrznej pompy ciepła. Wariant E zakłada dodatkowo montaż paneli fotowoltaicznych produkujących energię elektryczną zużywaną przez pompę ciepła. Wariant G zakłada użycie pompy ciepła z wymiennikiem gruntowym. Powoduje to zwiększenie energooszczędności rozwiązania, lecz zwiększa koszt inwestycyjny z powodu konieczności wykonania odwiertu.

Na rys. 5 przedstawiono skumulowane koszty inwestycji i eksploatacji w odniesieniu do czasu użytkowania. Dla wcześniej zdefiniowanych wariantów obliczona została suma kosztów inwestycji i eksploatacji w funkcji czasu.

W koszt eksploatacji oprócz zużycia paliwa został również wliczony wzrost cen oraz koszty napraw i serwisów. Analiza danych pozwala na wysunięcie wniosków dotyczących opłacalności każdego z rozwiązań. Ze względu na niskie koszty inwestycyjne w pierwszych latach najniższy skumulowany koszt osiąga wariant D – kocioł elektryczny. Jednak już po sześciu latach pracy niższy koszt otrzymujemy dla wariantu F – pompy ciepła powietrze/woda. Wynika to ze stosunkowo niskiego kosztu inwestycji i bardzo niskich kosztów eksploatacji. Kocioł gazowy (wariant A) jest rozwiązaniem o podobnych kosztach inwestycyjnych, ale wyższych eksploatacyjnych. Warianty E – powietrzna pompa ciepła + PV oraz G – gruntowa pompa ciepła generują niższe koszty eksploatacyjne niż wariant F, jednak wysoki koszt inwestycji powoduje, że ich zakumulowany koszt zrówna się dopiero po upływie 20 lat. To blisko granicy okresu, dla którego producenci przewidują pracę urządzeń.

Narzędzie 3

Arkusz obliczeniowy stworzony na podstawie pracy pt. Odnawialne źródła energii w budownictwie niskoenergetycznym [3] pozwala na porównanie kosztów inwestycji kotła gazowego i pompy ciepła. Dodatkową możliwością jest porównanie okresu zwrotu inwestycji przy instalacji dodatkowego źródła ciepła dla wody użytkowej – systemu kolektorów słonecznych. Arkusz oferuje prostą analizę kosztów, podobnie jak w przypadku dwóch pozostałych narzędzi. Umożliwia analizę energii zużytej na ogrzanie budynku i podgrzew wody użytkowej. W tabeli 5 podano obliczone w tym arkuszu wartości. Na ich podstawie powstał rys. 6 przedstawiający skumulowane koszty eksploatacji i inwestycji.

Przedstawione w formie wykresu informacje pozwalają na wysunięcie wniosków, że pomimo niższego kosztu inwestycji w system gazowy całkowity koszt użytkowania systemu pompy ciepła zwraca się już po pięciu latach od zakupu. W przypadku instalacji dodatkowego źródła ciepłej wody użytkowej, kolektorów słonecznych, koszt zwróciłby się dopiero po 20 latach ich pracy. To efekt niskiej ceny pozyskiwania energii cieplnej przez pompę ciepła.

Analiza przeprowadzona za pomocą trzech różnych narzędzi wskazuje jednoznacznie, że najtańszym źródłem ciepła w budynku „Avalon” jest powietrzna pompa ciepła. Wynika to z niskiego zapotrzebowania na energię elektryczną i wysokiej sprawności tego urządzenia przy stosunkowo niskim koszcie inwestycji (w porównaniu z gruntową pompą ciepła). Wnioskiem jest również nieduża opłacalność inwestycji w dodatkowe systemy wspomagające ogrzewanie (np. kolektory słoneczne). Ze względu na niski koszt produkcji energii przez pompy ciepła koszt zakupu kolektorów jest nieuzasadniony ekonomicznie. Dla potencjalnego inwestora koszt ten może być niższy ze względu na dotacje nieuwzględnione w analizie.

Dobór mocy grzewczej

Przed zainstalowaniem urządzenia w budynku należy określić jego moc grzewczą. Przewymiarowanie, tzn. dobór większej mocy grzewczej urządzenia niż wymagana przez budynek, będzie prowadzić do większych kosztów zakupu oraz obniżonej sprawności urządzenia w okresie, gdy pracuje z obniżoną mocą. Natomiast dobór mniejszej mocy niż wymagana przez budynek doprowadzi do sytuacji, gdy pompa nie jest w stanie zapewnić całego zapotrzebowania budynku na ciepło. W analizowanym przypadku – gdy pompa ciepła stanowi jedyne źródło ogrzewania – nie pozwoli to uzyskać satysfakcjonującej temperatury wewnątrz budynku, dlatego moc grzewcza powinna zostać odpowiednio dobrana.

Projektant analizowanego budynku podaje w specyfikacji wartość określającą bezpośrednie zapotrzebowanie na energię cieplną:

(1)

Umożliwia to obliczenie mocy cieplnej potrzebnej do ogrzania budynku, która jest wartością charakteryzującą pompę ciepła. W tym celu należy najpierw policzyć roczne zapotrzebowanie na energię cieplną całego budynku. Powierzchnia budynku wynosi:

(2)

(3)

Jest to całkowita ilość energii cieplnej potrzebnej na utrzymanie komfortowej temperatury wewnątrz budynku w ciągu całego roku. Żeby policzyć moc cieplną, jaka musi zostać dostarczona do budynku, należy podzielić tę wartość przez liczbę godzin grzewczych w ciągu roku. Zapotrzebowanie na energię cieplną do ogrzewania w klimacie polskim zaczyna się we wrześniu, a kończy w maju. Dla ułatwienia analizy wprowadzony zostaje parametr stopniodni. To suma różnic pomiędzy temperaturą średnią a graniczną w ciągu całego roku. Pozwala ocenić, przez ile dni w roku wymagana jest praca pompy ciepła. 

(4)

Liczba stopniodni umożliwia obliczenie mocy wymaganej przez budynek w okresie maksymalnego zapotrzebowania cieplnego. Powyższa wartość została przyjęta dla Krakowa [5]. Parametr stopniodni należy pomnożyć przez liczbę godzin w ciągu doby i podzielić przez maksymalną różnicę temperatur wewnątrz i na zewnątrz budynku. Jako skrajną temperaturę na zewnątrz budynku przyjęto –20°C, natomiast temperaturę wewnątrz budynku 20°C. Uzyskana wymagana moc pompy ciepła dla potrzeb ogrzewania wynosi:

(5)

Produkcja ciepła do systemu c.o. nie jest jedyną funkcją pompy ciepła – będzie ona również ogrzewać ciepłą wodę użytkową. Dla budynku przyjęto zużycie c.w.u. 50 l na osobę na dobę. Obliczenie całkowitej energii potrzebnej na ogrzanie wody w ciągu roku:

(6)

gdzie:

ρ – gęstość wody = 1000 kg/m³;

C_w – ciepło właściwe wody = 4190 J/(kg K);

V_c – objętość zużytej wody na dobę = 200 l;

T_c – temperatura ciepłej wody = 55°C;

T_z – temperatura zimnej wody wpływającej do instalacji c.w.u. = 10°C.

(7)

Podobnie jak w przypadku obliczeń mocy grzewczej, należy odnieść obliczoną energię do czasu pracy pompy ciepła w trakcie roku. Zapotrzebowanie na ciepłą wodę występuje w ciągu całego roku, taki okres został przyjęty do obliczeń:

(8)

Sumaryczna moc cieplna pompy ciepła, będąca sumą mocy wymaganej dla potrzeb centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej, wynosi:

(9)

Obliczona moc cieplna jest podstawową wartością pozwalającą na dobór urządzenia.

Przegląd dostępnych urządzeń 

Tabela 6 przedstawia autorskie zestawienie proponowanych przez producentów urządzeń – sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze/woda pracujących w układzie split, o wymaganej mocy cieplnej. Wybrane do zestawienia urządzenia spełniają następujące założenia: są wyposażone w sprężarkę inwerterową, dodatkową grzałkę, mają funkcję chłodzenia i pracują w układzie split. W miarę możliwości wybrane zostały modele ze zintegrowanym zasobnikiem c.w.u. Prezentowane pompy ciepła, ich dane i ceny zostały zaczerpnięte z danych katalogowych i cenników udostępnionych przez producentów. Tabela nie przedstawia wszystkich urządzeń dostępnych na polskim rynku, jedynie część wybraną do analizy.

W tabeli wyróżniono niektóre parametry pomp ciepła. Pierwszym jest wielkość zbiornika c.w.u. lub jego brak. Zakres mocy z kolei informuje, z jaką mocą grzewczą może pracować sprężarka inwerterowa. Moc cieplna oraz wskaźnik COP zostały określone dla wartości temperatury zewnętrznej bliskiej średniej temperaturze w ciągu roku. Minimalna temperatura powietrza jest temperaturą, dla której pracuje układ pompy ciepła, poniżej tej temperatury funkcję grzania przejmuje grzałka elektryczna. Ciśnienie akustyczne opisuje hałas generowany przez jednostkę zewnętrzną. Cena jest ceną katalogową umieszczoną w cennikach i katalogach producentów. Należy mieć na uwadze, że może być ona różna w zależności od dystrybutora.

Podsumowanie

Przedstawione narzędzia doboru źródła ogrzewania jednoznacznie wskazały pompę ciepła jako najtańsze źródło energii w budynku niskoenergetycznym. Przedstawiony schemat doboru mocy oraz zestawienie oferowanych urządzeń pozwalają na określenie wymaganej mocy i kosztu zakupu pompy ciepła.

Narzędzia służące obliczeniu kosztów skumulowanych systemu grzewczego stanowią dla inwestora praktyczne narzędzie pozwalające dokonać odpowiedniego wyboru bez narażania się na niepotrzebne koszty inwestycyjne lub wysokie koszty eksploatacji. Przedstawiony sposób doboru mocy pompy ciepła jest uniwersalnym i prostym narzędziem pozwalającym na dobór urządzenia bez ryzyka niedoszacowania lub przewymiarowania mocy. Przegląd dostępnych rozwiązań stanowi punkt odniesienia dla określenia ceny systemu pompy ciepła.

Literatura

1. Kalkulator oszczędności kosztów ogrzewania i c.w.u., http://kalkulator-pomp-ciepla.biawar.com.pl (dostęp 12.12.2018)
2. Lachman P., Arkusz kalkulacyjny Obliczenie całkowitych kosztów rocznych wg PORT PC cz. 6 (VDI 2067), http://portpc.pl/pdf/6kongres/inne/arkusze_kalkulacyjne_6_kongres_PORTPC.zip (dostęp 12.12.2018).
3. Zimny J., Odnawialne źródła energii w budownictwie niskoenergetycznym, Polska Geotermalna Asocjacja, Kraków 2010.
4. Zimny J., Michalak P., Szczotka K., Polish heat pump market between 2000 and 2013: European background, current state and development prospects, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” Vol. 48(C), p. 791–812, Elsevier, 2015.
5. Dopke J., Liczba stopniodni grzania dla dwudziestu sześciu miast Polski w 2010 r., https://www.cire.pl/pliki/2/Liczba_stopniodni_26_mias.pdf (dostęp 12.12.2018).
6. Rubik M., Pompy ciepła. Poradnik, Ośrodek Informacji „Technika Informacyjna w Budownictwie”, Warszawa 2006