Metody ograniczania niskiej emisji Wymiana źródła ciepła dla potrzeb ogrzewania budynku i przygotowania ciepłej wody użytkowej Dr hab. inż. Paweł MIREK, Prof. PCz Częstochowa, 216r.
1 WPROWADZENIE Eksploatacja tradycyjnych kotłów węglowych wiąże się ze znaczącym pogorszeniem jakości powietrza. Problemem, z jakim boryka się obecnie wiele gmin jest tzw. niska emisja zanieczyszczeń, której źródłem są małe trzony kuchenne, piece kaflowe oraz stalowe kotły rusztowe. Nadmierne zanieczyszczenie powietrza jest szczególnie uciążliwe w miejscowościach położonych w lokalnych zagłębieniach terenu. To właśnie tutaj pojawiają się warunki korzystne dla powstawania smogu, nisko utrzymującego się zadymienia, które w okresie bezwietrznej pogody może być dokuczliwe przez wiele dni. Spalaniu paliw stałych zawsze towarzyszy emisja takich zanieczyszczeń jak: ditlenek siarki, tlenki azotu, ditlenek węgla, tlenek węgla, benzopiren czy pył. W lokalnych ciepłowniach lub elektrociepłowniach większość z nich zostaje zatrzymana lub zredukowana do bezpiecznego poziomu. Niestety, domowe kotły węglowe nie posiadają urządzeń odpylających ani instalacji służących do neutralizacji związków azotu, węgla, czy siarki. Z tego względu jedynym sensownym sposobem na ograniczenie ilości emitowanych zanieczyszczeń stałych i gazowych jest zmiana paliwa na gazowe. Niestety, od wielu lat w społeczeństwie panuje przekonanie, że użytkowanie kotła węglowego wiąże się z niskimi kosztami eksploatacji. Jeśli jednak prześledzić zmiany, jakie zachodziły w cenie zakupu węgla w przeciągu ostatnich dziesięciu lat okaże się, że kocioł węglowy nie jest ani tani ani tym bardziej wygodny w eksploatacji. Bardziej zaawansowane kotły węglowe z palnikiem retortowym wymagają stosowania dedykowanego paliwa o dobrej jakości i są stosunkowo drogie w zakupie. Na obecnym etapie tam, gdzie istnieje możliwość skorzystania z infrastruktury gazowej, bardziej opłacalne wydaje się budowanie kotłowni gazowej. Istnieją jednak rejony, gdzie dostęp do gazu ziemnego jest ograniczony. W takich wypadkach, uzasadnione wydaje się zastąpienie tradycyjnego kotła rusztowego kotłem z palnikiem retortowym. Celem niniejszego opracowania jest dokonanie przeglądu gospodarki ciepłem w budynku mieszkalnym pod kątem ograniczenia niskiej emisji. W ramach analizy opracowanie obejmuje: dokonanie identyfikacji stanu obecnego systemu wytwarzania i użytkowania ciepła, sporządzenie bilansu aktualnego zapotrzebowania na ciepło i zużycia ciepła na cele grzewcze oraz produkcji ciepłej wody użytkowej w budynku o powierzchni użytkowej 16m 2, sporządzenie bilansu docelowego zapotrzebowania na ciepło i zużycia ciepła dla potrzeb C.O. oraz c.w.u. określenie zakresu działań modernizacyjnych związanych z gospodarką ciepłem w obrębie źródła ciepła, określenie nakładów inwestycyjnych na poszczególne warianty działań modernizacyjnych, przeprowadzenie oceny efektywności ekonomicznej przyjętych wariantów modernizacji, analizę efektów ekologicznych ograniczających niską emisję w odniesieniu do przyjętych wariantów modernizacji. 2 Założenia przyjęte do kalkulacji W ramach przeglądu metod ograniczenia niskiej emisji analizie poddano modernizację źródła ciepła oraz produkcji c.w.u. dla budynku mieszkalnego, wolnostojącego, zbudowanego w latach 7 ubiegłego stulecia, zamieszkiwanego przez 4-osobową rodzinę. Źródło ciepła dla budynku stanowił kocioł węglowy opalany węglem kamiennym typu Orzech II o granulacji 4-7mm i wartości opałowej 25GJ/Mg. Analizie planowanych usprawnień poddano wyłącznie modernizację źródła ciepła i c.w.u. z pominięciem termomodernizacji budynku oraz instalacji wewnętrznej c.o. Szczegółowe
zestawienie danych budynku poddanego analizie, w stanie przed wprowadzeniem usprawnień przedstawiono w Tabeli 1. Tabela 1 Zestawienie danych budynku poddanego analizie Dane ogólne 1. Konstrukcja / technologia budynku tradycyjna 2. Liczba kondygnacji 2 3. Kubatura części ogrzewanej 416 [m 3 ] 4. Powierzchnia mieszkalna 16 [m 2 ] 5. Powierzchnia użytkowa budynku 16 [m 2 ] 6. Powierzchnia użytkowa lokali użytkowych oraz innych pomieszczeń niemieszkalnych 12 [m 2 ] 7. Liczba mieszkań - 8. Liczba osób użytkujących budynek 4 9. Sposób przygotowania ciepłej wody Zasobnik jedno (wariant 4, 5) lub dwuwężownicowy (wariant 2, 3) bez grzałki elektrycznej 1. Rodzaj systemu ogrzewania budynku centralnie z kotłowni węglowej 11. Inne dane charakteryzujące budynek niepodpiwniczony 2. Sprawności składowe systemu ogrzewania 1. Sprawność wytwarzania,7 2. Sprawność przesyłania,96 3. Sprawność regulacji,82 4. Sprawność wykorzystania,98 5. Uwzględnienie przerwy na ogrzewania w okresie tygodnia 1, 6. Uwzględnienie przerw na ogrzewanie w ciągu doby,98 3. Charakterystyka systemu wentylacji 1. Rodzaj wentylacji (naturalna, mechaniczna) naturalna 2. Sposób doprowadzenia i odprowadzenia powietrza okna/kanały 3. Strumień powietrza wentylacyjnego 416 [m 3 /h] 4. Liczba wymian 1 [l/h] 4. Charakterystyka energetyczna budynku 1. Obliczeniowa moc cieplna systemu grzewczego 16,64 [kw] 2. Obliczeniowa moc cieplna na przygotowanie cwu 5,56 [kw] 3. 4. 5. Sezonowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku bez uwzględnienia sprawności systemu grzewczego i przerw w ogrzewaniu Sezonowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku z uwzględnieniem sprawności systemu grzewczego i przerw w ogrzewaniu Obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania c.w.u. bez uwzględniania sprawności 148,44 [GJ/rok] 269,38 [GJ/rok] 19,56 [GJ/rok]
6. Zmierzone zużycie ciepła na ogrzewanie przeliczone na warunki sezonu standardowego i na przygotowanie c.w.u. (służące do weryfikacji przyjętych składowych danych obliczeniowych bilansu ciepła) 324,17 [GJ/rok] Charakterystyka energetyczna budynku Lp. Rodzaj danych Dane w stanie istniejącym 1. Szczytowa moc cieplna (zapotrzebowanie na moc cieplną dla c.o.) qmoc [kw] 16,6 2. Szczytowa moc cieplna łącznie dla c.o. i c.w.u. q [kw] 22,2 3. 4. Sezonowe zapotrzebowanie na ciepło w standardowym sezonie grzewczym bez uwzględnienia sprawności systemu ogrzewania Sezonowe zapotrzebowanie na ciepło w standardowym sezonie grzewczym z uwzględnieniem sprawności systemu ogrzewania Charakterystyka systemu ogrzewania Rodzaj danych Dane w stanie istniejącym QH [GJ] 168, Qs [GJ] 324,17 1. Typ instalacji Źródłem ciepła dla budynku jest lokalna kotłownia z kotłem węglowym o mocy 25 kw, wyprodukowanym w latach 8-tych ubiegłego stulecia. Ciepła woda wytwarzana jest w oparciu o bojler o pojemności 2l z wężownicą zasilaną w ciepło z kotła węglowego. Kotłownię charakteryzuje niska sprawność wytwarzania ciepła, stosunkowo wysoka awaryjność, brak możliwości regulacji ilościowej i jakościowej. 2. Parametry pracy instalacji 9/7 ºC 3. Przewody w instalacji Stalowe, czarne, spawane, prowadzone po wierzchu ścian. 4. Rodzaje grzejników Żeliwne oraz stalowe 5. Osłonięcie grzejników Nie 6. Zawory termostatyczne Nie 7. Sprawności składowe systemu grzewczego Liczba dni ogrzewania w 8. tygodniu/liczba godzin na dobę Charakterystyka instalacji cieplnej wody użytkowej ηp=,96 ηr=,82 ηw=,7 ηe=,98 Lp. Rodzaj danych Dane w stanie istniejącym 7/2 1. Rodzaj instalacji Ciepła woda użytkowa do celów socjalnych przygotowywana jest w kotłowni w bojlerze o pojemności 2l z wężownicą zasilaną z kotła węglowego 2. Piony i ich izolacja nie 3. Opomiarowanie (wodomierze indywidualne) nie 4. Zużycie ciepłej wody w m 3 /m-c określone wg pomiaru 9,7
3 Warianty usprawnień źródła ciepła przyjęte do analizy W ramach działań zmierzających do usprawnienia źródła ciepła przyjęto następujące warianty analizy: WARIANT 1 - WARIANT 2 - WARIANT 3 - WARIANT 4 - WARIANT 5 - Wymiana mało efektywnego kotła węglowego na wysokowydajny kocioł retortowy z automatycznym podajnikiem paliwa, opalany węglem typu ekogroszek Zmiana sposobu produkcji ciepłej wody użytkowej poprzez wymianę zasobnika c.w.u. oraz montaż kolektorów słonecznych Wymiana mało efektywnego kotła węglowego na wysokowydajny kocioł retortowy z automatycznym podajnikiem paliwa opalany węglem typu ekogroszek oraz zmiana sposobu produkcji ciepłej wody użytkowej poprzez wymianę zasobnika c.w.u. oraz montaż kolektorów słonecznych Wymiana mało efektywnego kotła węglowego na wiszący kocioł gazowy z zasobnikiem ciepłej wody użytkowej oraz doprowadzenie przyłącza gazu do budynku Wymiana mało efektywnego kotła węglowego na kondensacyjny kocioł gazowy zintegrowany z zasobnikiem do produkcji ciepłej wody użytkowej oraz doprowadzenie przyłącza gazu do budynku Dla poszczególnych wariantów usprawnień określone zostały: zapotrzebowanie na ciepło, sprawność systemu grzewczego, koszty inwestycyjne, koszty eksploatacji, oszczędność kosztów eksploatacji, czas zwrotu inwestycji, efekt ekologiczny w postaci ograniczenia emisji zanieczyszczeń do atmosfery. W Tabeli 2 przedstawiono zestawienie zapotrzebowania na ciepło dla budynku z uwzględnieniem sprawności systemu produkcji ciepła oraz c.w.u. Tabela 2 Zestawienie zapotrzebowania na ciepło dla budynku z uwzględnieniem sprawności systemu produkcji ciepła oraz c.w.u. Wariant Budynek jednorodzinny wolnostojący wybudowany w latach 8-tych o pow. 16m 2 mocy cieplnej, kw Zapotrzebowanie dla c.o. i c.w.u. ciepła QH, GJ/a brutto ciepła QH, kwh/a brutto 1 22,2 258,46 71 796
2 22,2 288,1 8 4 3 22,2 226,82 63 7 4 22,2 212,49 59 25 5 22,2 182,7 5 751 Stan istniejący 22,2 324,17 9 49 4 Zestawienie kosztów inwestycyjnych oraz oszczędności kosztów eksploatacji Założenia przyjęte do obliczeń: nakłady inwestycyjne dla realizacji poszczególnych wariantów usprawnień przyjęto na podstawie ofert firm branżowych, kwoty brutto dla zobrazowania rzeczywistej stopy zwrotu przyjęto finansowanie inwestycji w 1% ze środków własnych koszty eksploatacji określono na podstawie obliczonego rocznego zapotrzebowania na ciepło na cele grzewcze oraz do produkcji c.w.u. z uwzględnieniem założonych sprawności systemu grzewczego w przypadku wariantu 2 i 3 założono, że minimum 5% zapotrzebowania na c.w.u. zostanie pokryte przez kolektory słoneczne dla poszczególnych wariantów usprawnień przyjęto następujące paliwa: Stan istniejący - węgiel kamienny typu Orzech II, wartość opałowa 25 GJ/Mg, cena brutto - 67 zł/mg Wariant 1 - eko-groszek, wartość opałowa 29 GJ/Mg, cena brutto 78 zł/mg Wariant 2 - węgiel kamienny typu Orzech II, wartość opałowa 25 GJ/Mg, cena brutto - 67 zł/mg Wariant 3 - eko-groszek, wartość opałowa 29 GJ/Mg, cena brutto 78 zł/mg Wariant 4 i 5 - gaz ziemny typ E, wg taryfy W-3.6 stan na styczeń 216 r., abonament 7,72 zł/m-c, cena gazu 12,897 gr/kwh W Tabeli 3 przedstawiono zestawienie planowanych kosztów całkowitych modernizacji źródła ciepła, rocznych oszczędności kosztów energii oraz wskaźników SPBT dla analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła. Tabela 3 Zestawienie planowanych kosztów całkowitych modernizacji źródła ciepła, rocznych oszczędności kosztów energii oraz wskaźników SPBT dla analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła Wariant przedsięwzięcia termomodernizacyjnego Planowane koszty całkowite Roczna oszczędność kosztów energii Procentowa oszczędność zapotrzebowania na energię SPBT [(Q-Q1)/Q]*1% zł zł % lata
WARIANT 1 14 1 74 2% 8,5 WARIANT 2 12 5 965 11% 12,96 WARIANT 3 26 2 59 3% 1,4 WARIANT 4 15 8 985 34% 16,4 WARIANT 5 22 3 2 52 44% 1,87 5 Efekt ekologiczny Emisję zanieczyszczeń określono w oparciu o Wskaźniki emisji substancji zanieczyszczających wprowadzanych do powietrza z procesów energetycznego spalania paliw z dnia 3 kwietnia 1996 roku, zalecane do stosowania przez Ministerstwo Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa. W Tabeli 4 pokazano zestawienie parametrów paliw stałych i gazu ziemnego wykorzystanych w różnych wariantach modernizacji źródła ciepła. Tabela 4 Zestawienie parametrów paliw stałych i gazowego dla analizowanych wariantów źródła ciepła Stan istniejący Wariant 1, 2, 3 Wariant 4, 5 Paliwo Węgiel Węgiel Gaz Ilość Mg/a 12,97 Mg/a 8,91 m 3 6159,1 Wartość opałowa GJ/Mg 25, GJ/Mg 29, MJ/m 3 34,5 Zawartość popiołu % 7, % 8,, Zawartość siarki %,6 %,8 kg/1 6 m 3 5, Wsk. unosu pyłu 1,5 1,5 kg/1 6 m 3 15, Wsk. unosu SO2 16, 16, 2, Zawartość cz. paln. % 25, % 25,, Wsk. unosu NOx 1, 1, kg/1 6 m 3 128, Wsk. unosu CO 45, 45, kg/1 6 m 3 36, Wsk. unosu B-a-P,14,14, Wsk. unosu CO2 2, 2, kg/1 6 m 3 1964, Sprawność odpyl. %,,, 6 Analiza wyników 6.1 Techniczno-ekonomiczne aspekty modernizacji źródła ciepła Optymalna i opłacalna modernizacja źródła ciepła jest zadaniem wymagającym analizy szerokiego spektrum czynników o zróżnicowanym stopniu ważności. Z punktu widzenia gminy, czynnikiem decydującym będą zawsze względy środowiskowe, zwłaszcza te, które decydują o poziomie emisji substancji szkodliwych do powietrza. Z punktu widzenia konsumenta istotnym elementem będzie przede wszystkim sumaryczny koszt inwestycyjny oraz eksploatacyjny modernizowanego źródła ciepła. Względy środowiskowe mają w tym przypadku zazwyczaj znaczenie
drugorzędne. Pogodzenie oczekiwań władz samorządowych oraz wymagań mieszkańców gminy upatrywać należy wyłącznie w aspekcie udzielanej pomocy finansowej, która musi stanowić wystarczającą zachętę dla ograniczenia źródeł niskiej emisji. Skuteczna pomoc nie może być jednak ograniczona wyłącznie do modernizacji samego źródła ciepła, gdyż jak wynika z Tabeli 3 działanie takie pociąga za sobą ujęte w niniejszym opracowaniu nakłady inwestycyjne związane z koniecznością przebudowy instalacji kotłowni. Nakłady te stanowią znaczny udział procentowy w ogólnych kosztach modernizacji i w większości przypadków decydują o zaniechaniu działań zmierzających do wymiany kotła. W procesie modernizacji podstawowym czynnikiem decydującym o wyborze źródła ciepła powinna być sprawność jego wytwarzania. Spośród oferowanych obecnie źródeł jedną z najwyższych sprawności przetwarzania energii chemicznej paliwa oferują gazowe kotły kondensacyjne, ujęte w Wariancie 5 opracowania. Jak wynika z Rysunku 1, to właśnie gazowy kocioł kondensacyjny o założonej sprawności na poziomie 17% wykazuje najmniejsze roczne zapotrzebowanie na ciepło spośród wszystkich analizowanych źródeł. Zapotrzebowanie na ciepło (co i cwu), GJ/a 35 3 25 2 15 1 5 324,17 288,1 258,46 226,82 212,49 182,7 1 2 3 4 5 stan istniejący Rys. 1 Sumaryczne zapotrzebowanie na energię końcową dla budynku będącego przedmiotem analizy w GJ/a W porównaniu z nowoczesnym kotłem retortowym na paliwo stałe (Wariant 1) różnica wynosi aż 75GJ/a. Sprawność wytwarzania ciepła dla potrzeb instalacji centralnego ogrzewania oraz ciepłej wody użytkowej osiąga w przypadku kotła kondensacyjnego wartości odpowiednio 61 i 94% (Rysunek 2). Wartości sprawności układu c.w.u. przekraczające 1% (Wariant 2 i 3) widoczne na Rys. 2 wynikają z zastosowania kolektorów słonecznych, których nie uwzględniono w Wariancie 5.
1,4 Sprawność systemu grzewczego, - 1,2 1,8,6,4,2,67,41,54 1,5,67 1,2,8,52 Sprawność co Sprawność cwu,94,61,54,36 1 2 3 4 5 stan istniejący Rys. 2 Zestawienie sprawności systemu grzewczego dla wszystkich analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła Jak wynika z Rys. 2, wymiana tradycyjnego kotła rusztowego na kocioł retortowy (Wariant 1) w niewielkim stopniu wpływa na zwiększenie sprawności przetwarzania energii chemicznej węgla. W przypadku wytwarzania ciepła dla potrzeb c.o. realny zysk wynosi 13%, a w odniesieniu do c.w.u. 5%, co w przeliczeniu na rzeczywisty koszt przygotowania ciepłej wody pozwoli zaoszczędzić zaledwie 18zł w ciągu roku (Rys. 3). Jak wynika z Rysunku 3, realnych korzyści finansowych z tytułu podgrzewania wody dla celów bytowych należy spodziewać się w instalacjach wyposażonych w kolektory słoneczne. W tym przypadku, zysk odniesiony do efektywnego gazowego kotła kondensacyjnego wynosi aż 646zł (Wariant 2) oraz 712zł (Wariant 3). Choć sprawność źródła ciepła jest jednym z ważniejszych parametrów, jakie należy wziąć pod uwagę rozważając jego modernizację, w większości wypadków czynnikiem decydującym o jego wymianie są względy finansowe wyrażone rocznymi oszczędnościami kosztów energii (Rys. 4) oraz wskaźnikiem SPBT (Rys. 5). Jak wynika z Rysunku 4 największe wartości rocznych oszczędności kosztów energii uzyskano dla kotła retortowego współpracującego z kolektorami słonecznymi (Wariant 3). Modernizacja instalacji polegająca na zamontowaniu kolektorów słonecznych (Wariant 2) przyniesie podobny poziom oszczędności, jak zamiana kotła rusztowego na kocioł gazowy (Wariant 4). Duże oszczędności można uzyskać także modernizując źródło ciepła w oparciu o gazowy kocioł kondensacyjny. Choć nie analizowano przypadku współpracy tego kotła z baterią kolektorów słonecznych, należy się spodziewać, że w takim zestawieniu zysk energetyczny będzie największy. Biorąc pod uwagę wskaźnik prostego czasu zwrotu inwestycji, najlepsze efekty przyniesie wymiana istniejącego kotła rusztowego na kocioł retortowy (8lat) (Rys. 5). Porównywalne czasy zwrotu (ok. 1lat) można zaobserwować dla Wariantu 3 i 5.
Roczny koszt przygotowania co i cwu, zł 12 1 8 6 4 2 C.O. C.W.U (obejmuje koszt podgrzania i dostawy wody) Stan istniejący 1 2 3 4 5 Rys. 3 Zestawienie rocznego kosztu przygotowania c.o. i c.w.u. dla wszystkich analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła 3 Roczna oszczędność kosztów energii, zł 2 5 2 1 5 1 5 1 74 zł 965 zł 2 59 zł 985 zł 2 52 zł 1 2 3 4 5 Rys. 4 Zestawienie rocznych kosztów oszczędności energii dla wszystkich analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła
18 16 16,4 14 12,96 SPBT, rok 12 1 8 6 8,5 1,4 1,87 4 2 1 2 3 4 5 Rys. 5 Zestawienie wskaźnika SPBT dla wszystkich analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła Natomiast inwestycją o najwyższym wskaźniku SPBT jest zamiana tradycyjnego kotła rusztowego na kocioł gazowy (16lat). Z analizy rocznych procentowych oszczędności energii przedstawionych na Rysunku 6 wynika, że największe oszczędności przynosi zamiana istniejącego kotła rusztowego na gazowy kocioł kondensacyjny, natomiast najmniejsze wyposażenie istniejącego kotła w instalację solarną (Wariant 2). 5 45 44 Roczna oszczędność energii, % 4 35 3 25 2 15 1 2 11 3 34 5 1 2 3 4 5 Rys. 6 Zestawienie rocznych procentowych oszczędności energii dla wszystkich analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła
Wymiana kotła rusztowego na kocioł z palnikiem retortowym pozwala wygenerować istotne oszczędności jednak pod warunkiem, że zapotrzebowanie energii na przygotowanie c.w.u. zostanie pokryte ze źródeł odnawialnych (Wariant 3). 6.2 Środowiskowe aspekty modernizacji źródła ciepła Nie ulega wątpliwości, że najlepszym skutkiem modernizacji źródła ciepła opartego na technologii rusztowego spalania paliw stałych jest zamiana na źródło, w którym spalany będzie gaz ziemny. Jak wynika z zestawienia zaprezentowanego na Rysunku 7, tego rodzaju paliwo w pełni zasługuje na miano paliwa ekologicznego. W analizowanych przypadkach kotły gazowe są źródłem rocznej emisji na poziomie 7-8kg NO x oraz 2kg tlenku węgla, przy śladowej ilości emitowanego pyłu oraz ditlenku siarki. W przeciwieństwie do nich, kotły węglowe wykazują znaczną tendencję do emisji: pyłów (max. 182kg/a dla kotła istniejącego; min. 125kg/a dla kotła retortowego współpracującego z instalacją solarną), tlenku węgla (max. 584kg/a dla kotła istniejącego; min. 352kg/a dla kotła retortowego współpracującego z instalacją solarną), dwutlenku siarki (max. 125kg/a dla kotła istniejącego; min. 1kg/a dla kotła retortowego współpracującego z instalacją solarną), tlenków azotu (max. 13kg/a dla kotła istniejącego; min. 8kg/a dla kotła retortowego współpracującego z instalacją solarną).,7 Emisja zanieczyszczeń, Mg/a,6,5,4,3,2,1,,182,125,584,143,114,41,161,111,519,125,1,352 Pył SO2 NOx CO,13,9,12,8,,,8,2,,,7,2 Stan istniejący 1 2 3 4 5 Rys. 7 Emisja pyłu, SO 2, NO x i CO do powietrza dla wszystkich analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła Kotły węglowe są także źródłem silnie rakotwórczego benzopirenu, którego emisja w przypadku kotła retortowego współpracującego z kolektorami słonecznymi może być prawie dwukrotnie zredukowana (por. Rys. 8 - Wariant 1 i 3) lub całkowicie wyeliminowana (Wariant 4 i 5), jak ma to miejsce w kotłach gazowych, które dodatkowo emitują najmniejszy strumień ditlenku węgla
(1,4-12,1Mg/a). Niestety, roczny poziom emisji tego gazu w kotłach węglowych jest dwukrotnie większy osiągając wartości z przedziału 15,64-25,94Mg.,2,18,16,182,161 Emisja B-a-P, kg/a,14,12,1,8,6,125,19,4,2,,, Stan istniejący 1 2 3 4 5 Rys. 8 Emisja benzopirenu do powietrza dla wszystkich analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła 3 25 25,94 23,6 Emisja CO 2, Mg/a 2 15 1 17,82 15,64 12,1 1,4 5 Stan istniejący 1 2 3 4 5 Rys. 9 Emisja CO 2 do powietrza dla wszystkich analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła Efekt ekologiczny z tytułu zredukowanej emisji CO 2 będącej następstwem wymiany źródła ciepła można wyznaczyć w nieco inny sposób. W tym celu należy:
określić zużycie energii chemicznej zawartej w spalonym paliwie (przed i po zrealizowaniu przedsięwzięcia), stosując do tego celu wartości opałowe paliw (WO) (w MJ/kg) zalecane do stosowania na dany rok przez Krajowy Ośrodek Bilansowania i Zarządzania Emisjami (KOBiZE) i zawarte w dokumencie pod nazwą: Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO 2 (WE) w roku xxxx do raportowania w ramach Wspólnotowego Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji za rok xxxx ; obliczyć emisję (przed i po zrealizowaniu przedsięwzięcia), stosując do tego wskaźniki emisji dwutlenku węgla (CO 2) (w kg/gj) zalecane do stosowania na dany rok przez Krajowy Ośrodek Bilansowania i Zarządzania Emisjami (KOBiZE) i zawarte w dokumencie pod nazwą: Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO2 (WE) w roku xxxx do raportowania w ramach Wspólnotowego Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji za rok xxxx. Na Rysunku 1 pokazano wartości emisji CO 2 do powietrza liczonej w oparciu o wartości opałowe paliw i wskaźniki w ramach Wspólnotowego Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji dla wszystkich analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła. Emisja CO 2, Mg/a 35 3 25 2 15 1 5 3,71 3,71 3,71 3,71 3,71 24,48 27,28 21,49 Wielkość emisji - stan bazowy Wielkość emisji - po modernizacji 11,92 2% 11% 3% 61% 67% 1,25 1 2 3 4 5 Rys. 1 Emisja CO 2 do powietrza liczona w oparciu o wartości opałowe i wskaźniki emisji CO 2 w ramach Wspólnotowego Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji dla wszystkich analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła Jak wynika z porównania rezultatów obliczeń zaprezentowanych na Rys. 9 i 1, niezależnie od metodyki liczenia emisji CO 2, generalny trend zmian pozostaje bez zmian. W odniesieniu do wyników zaprezentowanych na Rys. 1, największe redukcje emisji CO 2 (max 67%) uzyskać można dla kotłów gazowych, natomiast najmniejsze w wypadku wyposażenia istniejącego kotła rusztowego w kolektory słoneczne (11%). Zastosowanie kondensacyjnego kotła gazowego pozwala na ograniczenie aż
2MgCO 2/rok, podczas gdy wymiana kotła rusztowego na retortowy zaowocuje spadkiem emisji tego gazu o 6,2Mg/rok. Biorąc pod uwagę względny efekt ekologiczny, największe korzyści środowiskowe przyniesie zamiana istniejącego kotła węglowego na kocioł gazowy (Rys. 11). W tym wypadku można liczyć na: blisko stuprocentowe ograniczenie emisji pyłów, ditlenku siarki, tlenku węgla oraz benzopirenu, znaczne zredukowanie emisji tlenków azotu (39-48%) oraz ditlenku węgla (53-6%). 12 Względny efekt ekologiczny, - 1 8 6 4 2 Pył SO2 NOx CO B-a-P CO2 21,49 8,4 31,3 31,3 31,3 31,3 11,1 11,1 11,1 11,1 11,1 11,1 31,9 19,61 39,71 39,71 39,71 39,71 99,95 99,95 99,62 1 39,22 53,37 99,96 99,96 99,67 1 47,74 59,9 1 2 3 4 5 Rys. 11 Względny efekt ekologiczny emisji zanieczyszczeń do powietrza dla wszystkich analizowanych wariantów modernizacji źródła ciepła Jak wynika z Rys. 11, modernizacja źródła ciepła polegająca na zastosowaniu kotła z palnikiem retortowym pozwala maksymalnie na 31% ograniczenie emisji pyłu, 2% ograniczenie emisji SO 2 oraz 4% ograniczenie NO x, CO, B-a-P i CO 2. 7 Podsumowanie Jak wynika z przeprowadzonej analizy przeciętna czteroosobowa rodzina zamieszkująca budynek jednorodzinny o powierzchni 16m 2, w którym źródłem ciepła jest tradycyjny rusztowy kocioł węglowy wyemituje rocznie 181kg pyłu, 125kg SO 2, 13kg NO x, 584kg CO, 18kg BaP oraz aż 25 94kg CO 2, co w sumie da niebagatelną ilość prawie 27tys. kg zanieczyszczeń (Tabela 5). Wymiana źródła ciepła na kocioł z palnikiem retortowym zaowocuje ograniczeniem emisji o 3%, jednak będzie to inwestycja, która zwróci się dopiero po ośmiu latach. Jeżeli przygotowanie ciepłej wody użytkowej zrealizowane zostanie w oparciu o kolektory słoneczne, spowoduje to dalsze ograniczenie emisji o 9%, przy czym potrzeba będzie dodatkowych dwóch lat na zwrot nakładów na tego typu inwestycję. Pamiętać jednak należy, że kocioł retortowy nie rozwiązuje problemu niskiej
emisji a jedynie ją ogranicza. Gospodarstwa domowe nadal będą źródłem zapylenia oraz znacznych ilości groźnych dla zdrowia mieszkańców zanieczyszczeń. W rezultacie, modernizacja źródła ciepła polegająca na zamianie węglowego kotła rusztowego na kocioł węglowy z palnikiem retortowym przyniesie pozytywne efekty i jest wskazana wszędzie tam, gdzie nie ma dostępu do sieci gazu ziemnego. Tabela 5 Zestawienie najważniejszych parametrów modernizacji źródła ciepła Stan Wariant modernizacji istniejący 1 2 3 4 5 Koszty planowane zł - 14 12 5 26 15 8 22 3 Roczna oszczędność zł - kosztów energii 174 965 259 985 252 Oszczędność energii % - 2 11 3 34 44 SPBT lata - 8,5 12,96 1,4 16,4 1,87 Pył kg/a 181,58 142,56 161,42 125,12,9,8 SO2 kg/a 124,51 114,5 11,69 1,1,6,5 NOx kg/a 12,97 8,91 11,53 7,82 7,88 6,78 CO kg/a 583,65 4,95 518,85 351,9 2,22 1,91 B-a-P kg/a,18158,12474,16142,1948 CO2 kg/a 25 94 17 82 23 6 15 64 12 96,52 1 4,74 W rejonach miejskich, w których infrastruktura gazowa rozwinięta jest bardzo dobrze i w których poziom niskiej emisji stanowi dotkliwy problem, najefektywniejszym sposobem na jego rozwiązanie jest zastosowanie gazowego kotła kondensacyjnego. Tego typu kocioł pozwala na efektywny odzysk ciepła przemiany fazowej ze spalin i uzyskanie wysokich sprawności przetwarzania energii chemicznej paliwa. Poziom emisji całkowitej zostanie zredukowany aż o 6%, przy czym praktycznie całkowicie wyeliminowana będzie emisja pyłu, SO 2, CO i BaP. Spośród wszystkich analizowanych wariantów modernizacji kocioł ten charakteryzuje się także największym poziomem rocznych oszczędności energii oraz porównywalnym do kotła retortowego współpracującego z kolektorami słonecznymi wskaźnikiem SPBT. W porównaniu z kotłami węglowymi jego dodatkową zaletą jest znacznie wyższy poziom regulacyjności oraz coraz częściej doceniana przez użytkowników bezobsługowość.