Recenzent prof. nadzw. dr hab. inż. Stanisław Gumkowski

Transkrypt

1

2 Recenzent prof. nadzw. dr hab. inż. Stanisław Gumkowski Redaktor techniczny Tomasz Mikołajczewski Wydanie pierwsze Objętość 3,2 ark. wyd. Gdańsk, 2009 Druk i oprawa: Sowa-Druk na Życzenie tel Copyright by Wydawnictwo Gdańskiej Wyższej Szkoły Administracji, Gdańsk 2009 WYDAWCA Wydawnictwo Gdańskiej Wyższej Szkoły Administracji Gdańsk, ul. Wydmy 3 tel , mail: wydawnictwo@gwsa.pl ISBN

3 Spis treści 1. Wstęp Dane klimatyczne i moc cieplna na ogrzewanie budynków Krzywe grzewcze i współpraca pomp ciepła z instalacją ogrzewania pomieszczeń oraz innymi źródłami ciepła Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową Warianty współpracy źródeł ciepła i wskaźniki współpracy Współczynnik wydajności pomp ciepła Opis ogólny Uśredniony współczynnik wydajności pompy ciepła Składniki kosztów w obliczeniach efektywności ekonomicznej Opis ogólny Nakłady inwestycyjne oraz zwrot tych nakładów Koszty eksploatacyjne zmienne Koszty eksploatacyjne stałe Dodatkowe składniki bilansu ekonomicznego Ocena efektywności ekonomicznej Wprowadzenie Metoda kosztów narastających MKN Metoda wartości bieżącej netto NPV Jednostkowe koszty wytwarzania ciepła Zakończenie Literatura

4 1. Wstęp Naturalne zasoby surowców energetycznych powinny być używane możliwie najoszczędniej, co narzuca bezwzględny warunek pokrywania wzrastających potrzeb energetycznych poprzez wykorzystanie niekonwencjonalnych źródeł energii i w tym źródeł energii odnawialnej. Do takich należy pompa ciepła, która powinna ograniczać zużycie konwencjonalnych surowców energetycznych zarówno przez odpowiednio duży jej współczynnik wydajności, jak też przez wykorzystanie ciepła niskotemperaturowego występującego w dużych ilościach w przyrodzie zarówno jako źródło naturalne, jak też źródło energii odpadowej pochodzące z działalności gospodarczej człowieka. Kolejnym zadaniem jest kategoryczny wymóg ograniczenia emisji dwutlenku węgla W1) do atmosfery ziemskiej poprzez zmniejszenie spalania paliw. Tu pompa ciepła może odegrać także znaczą rolę. Jednym z możliwych sposobów zastosowania pomp ciepła jest wykorzystanie ich do ogrzewania pomieszczeń w małych budynkach jednorodzinnych, w dużych pojedynczych blokach mieszkalnych, w osiedlach mieszkalnych, w obiektach użyteczności publicznej (szkoły, szpitale, obiekty usługowe itp.), w których pompy ciepła mogą być źródłami samodzielnymi, mogą także tworzyć hybrydowe źródła ciepła z innymi urządzeniami, najczęściej z wodnymi kotłami olejowymi lub gazowymi albo z elektrycznymi podgrzewaczami wody, czyli takimi, które mają możliwość łatwej regulacji mocy cieplnej. W1) Emisja dwutlenku węgla, w opinii licznych ośrodków badawczych na świecie, jest przyczyną ocieplenia klimatu Ziemi. Z tą tezą nie zgadzają się niektóre centra badawcze w krajach wysoko rozwiniętych, głównie w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej (patrz: np. Opens+Global+Warming+Debate/article12403.htm, com/2008/07/18/more-on-why-we-house-blocked-co2-curbs/, com/.../patient-suffered-from-climate-change.html, pt_climate_change.html, _Change_and_Infectious_Disease.pdf, php/2007/05/08/neptune-news/, Docs/GW_on_mars.pdf, również pozycje w spisie literatury: [1, 12, 13, 20]). 6

5 Szczególnym rozwiązaniem jest przypadek współpracy pomp ciepła z miejską siecią ciepłowniczą W2). W wyborze wariantu ogrzewania z zastosowaniem pomp ciepła przyjmuje się porównawczy wariant ogrzewania, którym z reguły jest któryś z dotychczas powszechnie stosowanych wariantów konwencjonalnych. Można przyjąć, że wariantem porównawczym jest źródło takie samo, jak współpracujące z pompami ciepła: instalacja z wodnymi kotłami olejowymi, gazowymi, bojlerami elektrycznymi, instalacja miejskiej sieci ciepłowniczej. Przy wyborze wariantu ogrzewania porównuje się koszt ogrzewania z wykorzystaniem kolejnych wariantów hybrydowego źródła ciepła z kosztami ogrzewania ze źródła porównawczego. Warunkiem porównywania kosztów ogrzewania jest uzyskiwanie tych samych efektów produkcyjnych, czyli wytwarzanie tej samej ilości i jakości ciepła. W ostateczności wybiera się wariant o najniższych kosztach ogrzewania. Jeśli jest on mniejszy dla źródła porównawczego, to celowość zastosowania źródła hybrydowego staje się nieuzasadniona, chyba że w rachubę wchodzą jakieś dodatkowe warunki techniczne, ekologiczne lub ekonomiczne, które bezwzględnie należy spełnić W3). W2) Przykładem współpracy pomp ciepła z miejską siecią ciepłowniczą jest uruchomiona w 2007 roku instalacja w ogrzewaniu bloku mieszkalnego w Gdańsku w dzielnicy mieszkaniowej Orunia (patrz: Kusto Z.: Ocena ekonomicznej efektywności hybrydowego układu ogrzewania z pompami ciepła budynku wielorodzinnego w Gdańsku. Studium 1. Umowa o dzieło z dnia Spółdzielnia Mieszkaniowa Orunia w Gdańsku). W3) Jednym z wielu możliwych dodatkowych warunków może być międzynarodowa umowa o ograniczeniu emisji wszelkich zanieczyszczeń do atmosfery, litosfery i hydrosfery Ziemi: tlenków siarki, tlenków azotu, pyłów, freonów itp. Niespełnienie takich warunków może być obarczone wysokimi karami pieniężnymi, które powinno się także uwzględniać w ocenie efektywności ekonomicznej. Są również warunki, o których się niewiele mówi, a które, zdaniem autora, są niezmiernie ważne. W naturalnym środowisku Ziemi jest przez miliony lat ustalona pewna równowaga wpływów poszczególnych oddziaływań. Zachwianie tej równowagi nawet w niewielkim zakresie jest już stanem chorobowym. Jeśli naturalna zdolność regeneracyjna Ziemi nie zdoła tej nierównowagi zaakceptować, wówczas powstają rozmaite anomalia, np. w postaci coraz częściej obserwowanych klęsk żywiołowych. 7

6 Instalacja ogrzewania opis ogólny Opracowany został algorytm obliczeniowy hybrydowej W4) instalacji ogrzewania. Algorytm oblicza roczny bilans ciepła i roczne zużycie energii elektrycznej i wybranego rodzaju paliwa (olej opałowy, gaz ziemny itp.) a także oblicza podstawowe wskaźniki eksploatacyjne instalacji ogrzewania i koszt ogrzewania. W hybrydowej instalacji ogrzewania współpracują pompy ciepła i wodne kotły hybrydowe. Może być wariant źródła hybrydowego z jedną pompą ciepła i jednym kotłem, może być także wariant, w którym kilka pomp ciepła współpracuje z kilkoma kotłami. Przyjęto nazwę hybrydowe dla oznaczenia, że konwencjonalne wodne kotły olejowe lub gazowe, grzałki lub bojlery elektryczne współpracują z pompami ciepła; w rozwiązaniu konstrukcyjnym są to urządzenia klasyczne. Pompy ciepła i kotły pracujące w układzie hybrydowym pracują jako źródła dwufunkcyjne, służą do ogrzewania pomieszczeń i do ogrzewania ciepłej wody użytkowej. Pompy ciepła pracują u podstawy obciążenia, kotły hybrydowe włączają się do pracy w szczycie obciążenia oraz w przypadkach zapotrzebowania na ciepło o temperaturze wyższej od tej, która jest uzyskiwana z pomp ciepła. W4) Autor używa pojęcia źródło hybrydowe dla przypadku, w którym kilka źródeł wytwarza ten sam rodzaj energii. W temacie niniejszej publikacji kilka różnych źródeł wytwarza ciepło o takich samych parametrach (ciepło niskotemperaturowe o temperaturze do 100ºC do ogrzewania pomieszczeń i ogrzewania wody użytkowej co + cwu). Oficjalna interpretacja pojęcia źródło hybrydowe ma większy zakres znaczeniowy (przyp. autora). 8

7 Rys. W1. Ideowy schemat cieplny hybrydowej instalacji grzewczej Wytworzone w źródłach ciepło jest doprowadzane do odbiorów za pośrednictwem instalacji grzewczej, w której występują pewne straty ciepła. Znaczne straty ciepła występujące w instalacji ciepłej wody użytkowej wynikają z konieczności cyrkulacji ciepłej wody w budynku po to, aby była ona łatwo i szybko dostępna dla użytkownika. Pompy ciepła dostarczają ciepło do instalacji grzewczej poprzez akumulacyjne zbiorniki ciepłej wody. Zbiorniki te zapewniają stabilizację pracy pomp ciepła, kotłów hybrydowych oraz całej instalacji grzewczej, dodatkowo stanowią rezerwę ciepła na wypadek wystąpienia zakłócenia w pracy źródeł ciepła. Algorytmy obliczeniowe W książce opisano model matematyczny obliczenia bilansu energetycznego instalacji ogrzewania budynku z uwzględnieniem zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową oraz ogrzewanie pomieszczeń. Algorytmy obliczeniowe pod względem merytorycznym składają się z trzech części zawartych w poszczególnych rozdziałach. Część pierwsza zawiera opis obliczenia zapotrzebowania na ciepło, w które jest zależne od lokalnych warunków klimatycznych oraz własności konstrukcyjnych i cieplnych budynku i własności 9

8 cieplnych instalacji grzewczej, z których wynikają charakterystyki grzewcze, a z warunków klimatycznych i charakterystyk grzewczych wynikają wykresy zapotrzebowania na ciepło i moc cieplną w przedziale czasowym jednego roku W5). Charakterystyki grzewcze budynku i dane meteorologiczne są podstawą do obliczenia rocznego zapotrzebowania na ciepło i rocznego zużycia paliwa i energii elektrycznej. W drugiej części opisano pracę pomp ciepła w układzie ogrzewania pomieszczeń i wody użytkowej, ze zwróceniem uwagi na współpracę z konwencjonalnymi kotłami i z całą instalacją ogrzewania. Wyznaczone są obszary pracy pompy ciepła oraz obszary pracy konwencjonalnych kotłów z uwzględnieniem zadanych priorytetów w zakresie kolejności uruchamiania poszczególnych urządzeń. Obszary pracy pomp ciepła są rezultatem narzuconych priorytetów oraz danych eksploatacyjnych wynikających z ich rozwiązania konstrukcyjnego. Najważniejsze dane eksploatacyjne pomp ciepła to: moc znamionowa (równoważna mocy zainstalowanej), aktualna moc robocza, temperatura górnego źródła (za skraplaczem pomp ciepłą), współczynnik wydajności, przyrost temperatury wody w instalacji grzewczej po przepłynięciu przez skraplacze pomp ciepła. Dane eksploatacyjne kotłów to: moc znamionowa (zainstalowana), moc szczytowa, sprawność, moc minimum technicznego. Oprócz wyżej wymienionych bardzo ważnymi danymi eksploatacyjnymi są takie wskaźniki, jak czasy użytkowania mocy szczytowej i czasy użytkowania mocy zainstalowanej dla pomp ciepła i dla kotłów konwencjonalnych. Dane te informują o wielkości rocznej produkcji ciepła oraz wskazują na koszty wytwarzania ciepła przez dane źródło ciepła. Z danych eksploatacyjnych pomp ciepła i konwencjonalnych kotłów wynika wielkość rocznego zużycia paliwa i energii elektrycz- W5) Dane liczbowe dla roku reprezentatywnego są danymi uśrednionymi dla przewidywanego okresu obliczeniowego. Do tych danych należą: roczna zmienność zewnętrznej temperatury otoczenia, uśrednione straty cieplne budynku, uśredniony harmonogram zużycia ciepłej wody użytkowej, roczna zmienność nasłonecznienia, roczna zmienność wietrzności. Z tych warunków wynika bezpośrednio charakterystyka grzewcza budynku i zmienność rocznego zapotrzebowania na ciepło i moc cieplną. Rok reprezentatywny oznacza, że roczne zużycie ciepła przez odbiorcę jest stałe przez wszystkie obliczeniowe lata eksploatacji. 10

9 nej na wytwarzanie ciepła. Obliczenie zapotrzebowania na ciepło oraz zużycia paliwa i energii elektrycznej w ciągu roku jest podstawą do obliczeń ekonomicznej efektywności układu ogrzewania oraz oceny skutków ekologicznych. Trzecia część zawiera opis składników kosztów ogrzewania: nakładów inwestycyjnych, kosztów eksploatacyjnych, w skład których wchodzą stałe i zmienne koszty eksploatacyjne. Zwrócono uwagę na możliwość pokrycia nakładów inwestycyjnych ze środków własnych przyszłego użytkownika oraz wynikających stąd konsekwencji finansowych. Poszczególne składniki kosztów eksploatacyjnych mogą się zmieniać w analizowanym obliczeniowym okresie eksploatacji. Z reguły jest to wzrost kosztów wyznaczany współczynnikiem rocznego wzrostu kosztów. Szczególnym składnikiem kosztów eksploatacyjnych jest koszt paliwa i energii elektrycznej wynikający z ceny i wielkości rocznego zużycia. Cena paliw i energii elektrycznej wzrasta i wzrost ten jest ważnym czynnikiem decydującym o ekonomicznej opłacalności danego wariantu wytwarzania ciepła. Ocena efektywności ekonomicznej może być dokonywana wieloma różnymi metodami. Opisano dwie metody: metodę kosztów narastających (MK ) W6) i metodę wartości bieżącej netto ( PV). Obie metody zostały tak uformowane, aby były wzajemnie odpowiednie. Obliczenia ekonomiczne są podstawą do wyboru wariantu ogrzewania optymalnego pod względem ekonomicznym. Opisane algorytmy obliczeniowe pozwalają na poszukiwanie rozwiązania optymalnego pod względem ekonomicznym z kryterium kosztów ogrzewania. W6) Metoda zalecana przez autora. 11