mgr inż. Andrzej Jurkiewicz z zespołem – "Poradnik dla audytorów energetycznych"
Spis treści
Wykład 1: Najczystszą formę energii ma energia niezużywana.
Wykład 2: Program termomodernizacji budynku wspólnoty mieszkaniowej
Wykład 3: Pitagorasy w ciepłownictwie.
Wykład 4: Podstawy ciepłownictwa – przewodzenie.
Rozdział II – od dostawcy do odbiorcy (tu jesteś)
Wykład 8: Ciepła woda użytkowa
Wykład 5: Paliwo
Prowadzący: Andrzej Jurkiewicz
Teza:
Zrobił wilk elektrownię, lecz by prąd uzyskać
Spalał w niej cały węgiel z kopalni od liska
Kopalnia z elektrowni cały prąd zżerała
Stąd brak światła i węgla, ale SYSTEM DZIAŁA!
To fraszka Andrzeja Waligórskiego, która stanie się mottem dzisiejszego wykładu o paliwach.
Być może nie wiemy o tym, albo nie chcemy wiedzieć, ale często w produkcji prądu lub ciepła, spotykamy się z tak żenująco niską sprawnością lub tak energochłonnym procesem, że znacznie korzystniej byłoby go zaniechać.
Jako przykład bezsensowności spalania paliwa, w imię ochrony naszego środowiska i walki z globalnym ociepleniem (!!!) polecam załączony artykuł, w którym opisuję współspalanie biopaliwa w elektrowniach zawodowych w kotłach pyłowych („Współspalanie biomasy w elektrowniach. Zysk czy strata?”). Okazuje się, że sprawność wykorzystania energii ze spalonej biomasy w większości naszych elektrowni jest bliska zera i nikomu to nie przeszkadza…, bo „System działa!”; setki tysięcy ton (chyba już nawet miliony!!!) spalanej biomasy w elektrowniach jest bezpowrotnie marnowana… w imię głupiego prawa i braku poszanowania dla nas ludzi i naszego środowiska (odsyłam do artykułu).
Po tak mocnym wstępie przyjrzyjmy się niektórym rodzajom paliwa spalanego w naszych źródłach ciepła.
Zacznę od najbardziej popularnego „polskiego złota”, czyli:
Węgiel
Mamy różne gatunki węgla (miał energetyczny, groszek, eko-groszek, orzech, „flot”). Ostatnio bardzo popularnym paliwem stał się eko-groszek, który może być spalany w „bezobsługowych” kotłach węglowych retortowych. Kotły te nie wymagają prawie obsługi, gdyż należy tylko napełnić zbiornik paliwa (raz na kilka dni) i od czasu do czasu usunąć popiół z popielnika. Paliwo do takiego kotła (do retorty) podawane jest małymi porcjami przy pomocy ślimaków.
Oczywiście jednostki większe (powyżej 100 kW) wymagają codziennej obsługi, ale i tak, w porównaniu z tradycyjnymi kotłami, czas pracy palacza ogranicza się do dwóch-trzech godzin na dobę.
Parametry węgla mogą być bardzo różne. Określamy je zamawiając węgiel u dostawcy. Często parametry te podawane są na fakturach za węgiel.
Np.
Orzech 26/08/06
Pierwszy człon (26) oznacza, że z naszego węgla możemy otrzymać 26 GJ energii z każdej tony. Ilość GJ w tonie opału, zwana wartością opałową, jest najważniejszym parametrem węgla i od tego parametru zależy w zasadzie cena tego węgla.
W polskich węglach wartość opałowa jest bardzo różna i wynosi od 21 GJ (kiepski miał energetyczny) do 29 GJ (antracyt).
Drugi parametr naszego węgla (08), to zawartość popiołu w %, czyli w naszym przypadku zawartość popiołu wyniesie 8%. W naszych węglach ta zawartość popiołu też jest zmienna i wynosi od kilku do kilkunastu %.
Ostatni człon (06) oznacza zawartość siarki w węglu…, ale uwaga, wartość ta podawana jest w dziesiętnych procenta, więc nasz węgiel ma 0,6% siarki. Zawartość siarki też będzie zmienna i wynosi od 0,4 do 1,2%.
Aby utrwalić sobie tą metodykę czytania faktur za węgiel spróbujmy ocenić, jakie będą średnie parametry spalanego opału dla kotłowni węglowej, która zużyła:
80 ton węgla o parametrach 24/10/06 i 60 ton węgla o parametrach 26/07/10.
Musimy tutaj wyznaczyć średnioważone po ilości spalonego opału.
| Gatunek | Ilość Mg | GJ | %popiołu | %siarki | Cena zł/Mg | Cena 1 GJ |
| węgiel 1 | 80,00 | 24,00 | 10,00 | 0,60 | 600,00 | 25,00 |
| węgiel 2 | 60,00 | 26,00 | 7,00 | 1,00 | 750,00 | 28,85 |
| średnioważona | 140,00 | 24,86 | 8,71 | 0,77 | 664,29 | 26,72 |
Węgiel nie jest zbyt „ekologicznym” paliwem.
Średnio przy spaleniu 1 tony węgla emisja zanieczyszczeń wynosi:
300 kg popiołu
20 kg pyłu
35 kg SO2
6 kg NOx
2 tony CO2
Można zapytać, skąd 30% popiołu skoro zawartość popiołu w naszych węglach wynosi 5÷15%? Jest to wynik tzw. „niepełnego spalania…” po prostu, w normalnych warunkach eksploatacyjnych nie spalimy tak dokładnie węgla i ta pozostałość po „niepełnym spalaniu” pozostanie nam w popiele i żużlu.
Przy określaniu ceny węgla nie zapomnijcie o kosztach transportu i ewentualnych kosztów usunięcia popiołu lub opłat środowiskowych (jeżeli są).
Olej opałowy
Mamy różne oleje opałowe, które różnią się głównie gęstością. Najczęściej, w większości kotłowni, stosujemy olej opałowy lekki klasy L–1.
Podstawowe parametry takiego oleju:
– gęstość: 860 kg/m3
– wartość opałowa: 42,6 MJ/kg
– zawartość siarki: 0,2%
Cena oleju jest zmienna i niestety, w ostatnich latach, bardzo wzrosła. Obecnie wynosi ok. 2,70 zł/litr. Przy obliczaniu ceny za 1 GJ musimy, więc pamiętać, że wartość opałową oleju podajemy najczęściej w odniesieniu do jednego kilograma, natomiast cenę podajemy za 1 litr. Jeżeli o tym zapomnimy, to źle policzymy koszty energii… należy więc wartość opałową wynoszącą 42,6 MJ/kg pomnożyć przez gęstość 0,86 kg/m3 i dopiero wtedy możemy wyliczać ile kosztuje GJ:
1 GJ kosztuje: 2,70 zł/(0,0426*0,86) = 73,70 zł
Nie jest to tanie paliwo…
W dużych kotłowniach olejowych czasem stosujemy olej ciężki, z uwagi na niższą cenę. Wymaga on jednak specjalnych palników do spalania.
Gaz ziemny
Gaz ten jest lżejszy od powietrza.
Gęstość gazu GZ-50 wynosi: 0,78 kg/m3 (powietrze ok. 1,2 kg/m3)
Wartość opałowa > 31 MJ/m3
Ciepło spalania > 34 MJ/m3
W praktyce przyjmujemy, że wartość opałowa gazu ziemnego GZ-50 wynosi 35,5 MJ/m3. Przy dużych odbiorach gazu, czasami wartość ta podawana jest w fakturach, gdyż tak naprawdę płacić powinniśmy nie za m3 dostarczonego gazu, ale za ilość energii, którą ten 1 m3 gazu zawiera. Głównym składnikiem gazu jest metan CH4, który stanowi 90% składu.
Podałem dwie wielkości kaloryczności gazu: ciepło spalania i wartość opałowa.
Aby zrozumieć, jaka jest różnica podam definicję tych pojęć:
Wartość opałowa to ilość ciepła uzyskana przy całkowitym i zupełnym spaleniu jednostki masy paliwa oraz ochłodzeniu produktów spalenia do temperatury początkowej bez uwzględniania ciepła skraplania pary wodnej zawartej w paliwie.
Ciepło spalania natomiast dodatkowo uwzględnia jeszcze ciepło zawarte w parze wodnej, która powstanie w trakcie spalania paliwa.
W technice przyzwyczailiśmy się do operowania wartością opałową, więc zakładamy, że nie wykorzystujemy ciepła zawartego w parze wodnej…, ale nie zawsze tak jest. Przykładem najlepszym to kotły kondensacyjne (gazowe lub olejowe), których sprawność przekracza 100%… dlaczego? Właśnie z powodu przyjętej metodyki określania sprawności źródeł ciepła odnoszącej się do wartości opałowej paliwa, a nie do jego ciepła spalania.
Kotły kondensacyjne, jak sama nazwa wskazuje, posiadają wymiennik kondensacyjny, w których spaliny schładzane są poniżej tzw. punktu rosy i, w którym następuje odbiór ciepła z pary zawartej w spalinach… para kondensuje do postaci cieczy i przy tej przemianie (tzw. przemiana fazowa…, czyli zamiana pary w wodę) wydzielane są bardzo duże ilości energii. Energia ta pochodzi z pary zawartej w paliwie i pary zawartej w powietrzu, które jest niezbędne w procesie spalania (w procesie spalania gazu teoretycznie na każdy 1 m3 spalonego gazu potrzebujemy, co najmniej 11 m3 powietrza, a w praktyce nawet więcej) Teoretycznie sprawność w odniesieniu do wartości opałowej paliwa, może być większa nawet o 11% (sprawności maksymalne niektórych kotłów kondensacyjnych gazowych wynoszą 104÷109%).
Nie dajcie się jednak zwieść tą z pozoru darmową energią… pomijając już nawet cenę takiego kotła, który wyposażony w wymiennik kondensacyjny (stal nierdzewna!!!) musi być droższy od zwykłego kotła, to dodatkowo musimy zapewnić schłodzenie naszych spalin poniżej punktu rosy… a to czasami jest trudne. Punkt rosy dla oleju opałowego wynosi 48°C, a dla gazu 58°C. Oznacza to, że spaliny w kotle kondensacyjnym olejowym musimy schłodzić poniżej 48, a w kotle gazowym poniżej 58°C, czyli czynnik, który schładza te spaliny (woda grzewcza) także musi mieć temperaturę niższą od tych punktów rosy. Z tego powodu, kotły kondensacyjne znakomicie sprawdzają się przy niskich temperaturach czynnika grzewczego… np. w ogrzewaniach podłogowych lub przy krzywych grzewczych niskotemperaturowych (np. 60/40°C lub niższych).
W Polsce nasze stare instalacje grzewcze pracują na krzywych grzewczych bardzo wysokich; najbardziej popularną jest krzywa grzewcza 90/70°C… no tak, ale nie wyjaśniłem przecież, co to jest krzywa grzewcza.
Temperatura wody grzewczej w naszych instalacjach zmienia się w zależności od temperatury zewnętrznej. Jest to tzw. „regulacja pogodowa”. Im niższa jest temperatura na zewnątrz (atmosferyczna), tym wyższa jest temperatura wody grzewczej. W kotłach lub węzłach cieplnych ważne są dwie temperatury tej wody: temperatura zasilania Θz i temperaturę powrotu Θp. Obie te temperatury zmieniają się wraz ze zmianą temperatury zewnętrznej. Przedstawię to na wykresie.
Przedstawiona krzywa oznaczona parametrem 90/70°C, oznacza, że przy temperaturze projektowej obliczeniowej (minus 20°C) na wyjściu (zasilaniu) z naszego kotła (węzła) woda grzewcza ma temperaturę 90°C, a na powrocie 70°C. Oczywiście wraz ze wzrostem temperatury zewnętrznej zmniejszać się będzie także temperatury zasilania i powrotu wody grzewczej… np. dla średniej sezonu wynoszącej 4°C, parametry wody grzewczej wyniosą ok. 50°C (zasilanie) i 42°C powrót. Krzywe grzewcze mogą być bardzo różne, od bardzo wysokich (np. w kotłach wysokoparametrowych zasilających miasta występuje najczęściej krzywa grzewcza 150/70°C), wysokich (90/70°C), poprzez średnie (70/55°C), do niskich (50/35°C). W niektórych ogrzewaniach temperatury wody grzewczej są bardzo niskie, np. w ogrzewaniach podłogowych możemy spotkać krzywe grzewcze 30/26°C.
Dla kotłów kondensacyjnych, im niższa jest krzywa grzewcza, tym lepiej, gdyż wtedy większa jest sprawność wymiennika kondensującego. Kotły te najlepiej sprawdzają się jako kotły podgrzewające ciepłą wodę użytkową (cwu), gdyż temperatura wody zimnej średnio wynosi 10°C, i tam kondensacja zachodzi bez przerwy.
Wróćmy jednak do naszych paliw…, opiszę kolejny gaz tzw. płynny.
Gaz płynny
Gaz „płynny” (LPG)… nazwa potoczna gazu dostarczanego w stanie skroplonym, przechowywanego lub transportowanego w butlach. Jest to najczęściej ciekły propan lub propan-butan (ten ostatni to raczej tylko w kuchenkach gazowych).
Gaz ten, w przeciwieństwie do gazu ziemnego, jest cięższy od powietrza (jego gęstość przekracza 1,6 kg/m3) i dlatego nie wolno umieszczać zbiorników w przestrzeniach zamkniętych (gaz ziemny jest lżejszy od powietrza i można go łatwo usunąć przez typowe kanały wentylacyjne, a z LPG już nie jest to tak proste); najczęściej zbiorniki te umieszczane są na zewnątrz pomieszczeń.
Wartość opałowa gazu propanu wynosi 45,6 MJ/kg, a gęstość w stanie ciekłym ok. 0,495 kg/litr. Porównując wiec ceny paliw, musimy pamiętać o tym, za co płacimy: czy za kg, czy za litr… przeważnie za litr, więc znów (jak dla oleju) należy wartość opałową pomnożyć przez 0,495, aby otrzymać wartość opałową jednego litra gazu płynnego i dopiero teraz możemy go przeliczać na koszt 1 GJ.
Biopaliwo
W tym wypadku, możemy mówić o bardzo różnych paliwach i różnej wartości opałowej (od 8 do 18 GJ/Mg).
Wymienię najbardziej popularne biopaliwa:
– Pelet (zmielone trociny, poddane obróbce termicznej przy pomocy pary, tworzą małe walce – taki pocięty na kawałki ołówek)
– wierzba energetyczna
– słonecznik, malwa, trawa, słoma
– trociny, zrębki, ścinki drzew i odpady roślinne, drewno opałowe
– zboże (niestety! czasem nadprodukcja zboża powoduje, że opłaca się go spalić… kontrowersyjna to metoda wykorzystania)
– odpady organiczne przemysłowe
– odchody zwierząt
– i wiele innych
Popularne stają się także wszelkiego rodzaju biogazownie, które wykorzystują rośliny zielone, lub odpady (ścieki) bytowe przy produkcji biogazu. Taki „darmowy” biogaz może być produkowany np. w oczyszczalniach ścieków i wykorzystywany do produkcji prądu i ciepła, które to media wykorzystuje się w urządzeniach zainstalowanych w tych oczyszczalniach. Biogaz można także odzyskiwać ze składowisk odpadów (odwierty odgazowujące składowiska).
Energia odnawialna
Wspomnę tylko, o najważniejszych rodzajach energii, gdyż temu tematowi poświęcimy oddzielne wykłady.
– energia wiatru
– pompy ciepła
– wymienniki gruntowe
– energia geotermalna
– energia słoneczna
– energia wodna
Bardzo popularny temat na dziś i chętnie finansowany przez różnego rodzaju programy, oraz wspierany przez różne instytucje finansowe oraz przez odpowiednie rozwiązania prawne.
Proponuję jednak, abyśmy do tych wszystkich „nowinek” podchodzili w sposób ostrożny… czasem, bowiem okazuje się, że takie wspieranie na siłę pewnych rozwiązań i technologii, przynosi bardzo mierne wyniki… a w niektórych przypadkach staje się nawet nieracjonalne.
Przykład? Pompa ciepła o współczynniku COP=3 (COP=3 oznacza, że z 1 kWh energii elektrycznej otrzymamy 3 kWh energii cieplnej).
Policzmy koszty produkcji takiej energii:
1 MWh prądu kosztuje 480 zł… z tej Megawatogodziny wyprodukujemy 3 MWh energii cieplnej…, czyli nasza MWh termiczna kosztuje 160 zł. W przeliczeniu na GJ daje to koszt
160/3,6) = 44 zł/GJ
Przy produkcji ciepła z gazu, koszt 1 GJ wyniesie ok. 49 zł (cena gazu 1,70 zł/m3, wartość opałowa 0,0355 GJ/m3 i sprawność kotła 98%… potraficie dojść do 48 zł/GJ?)…, mamy więc zysk 5 zł/GJ… To bardzo niewiele biorąc pod uwagę różnicę w kosztach inwestycyjnych, gdyż pompa ciepła to wydatek rzędu 40÷50 tys. zł, a kocioł gazowy ok. 10 razy mniej.
Liczymy zwrot nakładów:
Dla ogrzania domku jednorodzinnego o powierzchni 150 m2 potrzebujemy ok. 0,4 GJ/m2/rok. Daje to wynik 60 GJ/rok. Jeżeli zaoszczędzimy 5 zł/GJ, to oznacza, że w ciągu roku nasz zysk wyniesie 300 zł…, czyli czas zwrotu inwestycji to ok. 150 lat.
Ale to nie koniec naszych rozważań… do produkcji naszej energii cieplnej z pompy ciepła potrzebujemy prąd, który w Polsce jest produkowany głównie z węgla. Jeżeli porównamy współczynniki nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej (Rozporządzenie o metodyce wykonywania charakterystyk energetycznych podaje te współczynniki w tabeli nr 1) to okazuje się, że taką energię musimy pomnożyć przez 3!
Reasumując: wprawdzie 60 GJ energii cieplnej wyprodukujemy przy pomocy 20 GJ energii elektrycznej, ale dla energii pierwotnej efekt będzie żaden… znów mamy 60 GJ (bo tyle energii w paliwie zużyje elektrownia na wyprodukowanie naszych 20 GJ w „gniazdku”).
Czy to oznacza, że mamy rezygnować z pomp ciepła?…, raczej nie, ale trzeba dostać dobre dofinansowanie (myślę, że minimum 50%) i stosować pompy o wyższym współczynniku COP (co najmniej 4).
Pamiętajmy więc, aby przy podejmowaniu decyzji o wyborze naszego nośnika energii, kierować się nie tylko modą, czy „zachętami” prawno-finansowymi, ale także rachunkiem ekonomiczno-ekologicznym.
Mamy, więc różne paliwa, w różnej cenie i o różnych wartościach opałowych. Mamy też źródła ciepła w różnych cenach i o różnej sprawności… jak to wszystko porównać?
Do tego służą taryfy dla ciepła…, o których opowiem w następnym wykładzie.
Tu będą jeszcze pytania do wykładu
Wykład 6: Umowy ESCO
Prowadzący: Andrzej Jurkiewicz
Kontrakty ESCO i zasady ich sporządzania opisałem dość szczegółowo w artykule pod tytułem: „Umowa ESCO w ciepłownictwie” i odsyłam wszystkich zainteresowanych do tego artykułu.
Tutaj dodam, że najbardziej fascynuje mnie w umowach ESCO zmiana filozofii działania Dostawcy i Odbiorcy energii… W typowych kontraktach na dostawę energii (cieplnej lub elektrycznej), Odbiorca i Dostawca stoją po przeciwnych stronach barykady: Odbiorca chce tej energii zużyć jak najmniej (bo za nią płaci), a Dostawca chce jej sprzedać jak najwięcej (bo na tym zarabia). W kontraktach ESCO jest zupełnie inaczej; tam zarówno Odbiorca, jak i Dostawca chcą zużyć jak najmniej energii, bo obie strony zarabiają wtedy jak energię zaoszczędzą. To przejście z „konfliktu interesów” do „współdziałania w interesie” jest naprawdę niewiarygodne… A efekt?
Podam przykład dużego szpitala, który zużywał ponad 110.000 GJ/rok energii cieplnej w momencie podpisywania kontraktu ESCO… Po 5 latach od podpisania kontraktu, zużywał już 65.000 GJ/rok energii… prawie połowę mniej… i wszyscy na tym zarobili!!!, a najbardziej środowisko.
Dla wszystkich chętnych, którzy pragną się więcej dowiedzieć o szczegółach tych kontraktów, zasadach ich zawierania, rozwiązaniach prawnych i rozliczeniach miedzy stronami, proszę o kontakt indywidualny przez pocztę elektroniczną na adres: . Osobom tym udostępnię komplet materiałów dotyczących tych kontraktów, a także (w miarę swych możliwości) pomogę przy układaniu i redagowaniu umów, dokumentacji przetargowej oraz przedstawię metodykę wykonywania analiz finansowych tych kontraktów.
Zadanie, jako pytanie do tego wykładu:
Budynek zużywa 1000 GJ energii produkowanej w kotłowni węglowej o sprawności wytwarzania 70%. Koszt opału (24 GJ/Mg) wynosi 600 zł/Mg. W wyniku prac modernizacyjnych możemy podnieść sprawność kotłowni o 10%, wymieniając kocioł o mocy 200 kW, na nowszy.
Planowany koszt zakupu i montażu kotła to 50.000 zł.
Alternatywą jest jednak wykonanie modernizacji instalacji wewnętrznej w budynku, polegającą na wymianie zaworów grzejnikowych na termostatyczne. W tym wypadku przewidujemy wymianę 300 zaworów oraz wprowadzenie regulacji hydraulicznej w budynku. Nakłady na modernizację instalacji grzewczej w budynku są porównywalne z kosztami kotła, a planowana oszczędność energii w budynku wyniesie 12%.
Zakładamy jednak, że budynek należy do Odbiorcy, a kotłownia do Dostawcy i rozliczamy się wg licznika ciepła zamontowanego w budynku.
Pytania
1. Jaki jest koszt zmienny 1 GJ energii sprzedawanej (dolicz 5% zysku Dostawcy).
2. Który z tych wariantów jest bardziej opłacalny?
3. Ile zyska Odbiorca w przypadku modernizacji źródła ciepła?
4. Ile zyska Dostawca w przypadku modernizacji instalacji w budynku?
5. Jak najprawdopodobniej wpłynie modernizacja instalacji budynku na sprawność kotłowni Dostawcy?
6. Czy obie inwestycje mogą być realizowane bez naruszenia interesu drugiej strony, biorąc pod uwagę, że Dostawca nie może obniżyć kosztów stałych (zatrudnienie i amortyzacja)?
7. Czy można połączyć obie inwestycje, tak by zarówno Odbiorca jak i Dostawca na nich zarobili? W jaki sposób to zrealizować?
Wykład 7: Taryfa dla ciepła
Prowadzący: Andrzej Jurkiewicz
Popatrzmy na tabelkę poniżej. Przedstawiam w niej ceny energii przeliczone na 1GJ różnych paliw. Metodyka jest tu prosta; musimy znać cenę danej jednostki paliwa (tona, kg, litr, m3) i wartość opałową tej jednostki. Przy omawianiu paliw, zwracałem uwagę na to, aby pamiętać, za co płacimy i w jakich jednostkach podajemy wartości opałowe paliwa, gdyż częstym błędem jest mylenie tych jednostek i błędne wyliczanie wielkości opłat w taryfach.
| gaz ziemny | węgiel kamienny | eko-groszek | olej opałowy | LPG | energia elektryczna | drewno | |
| jednostka | m3 | Mg | Mg | dcm3 | dcm3 | MWh | Mg |
| cena jednostkowa | 1,6 | 600 | 700 | 2,7 | 2,5 | 500 | 300 |
| ilość GJ/jednostkę | 0,0355 | 24 | 26 | 0,0364 | 0,023 | 3,6 | 12 |
| koszt 1 GJ | 45,07 | 23,08 | 26,92 | 74,23 | 108,7 | 138,89 | 25 |
Jest to cena GJ przeliczona na jednostkę paliwa.
Bezkrytycznie podchodząc do tej tabeli, możemy stwierdzić, że węgiel jest najtańszym paliwem…, ale nie jest to do końca prawdą.
Porównajmy, przykładowo ogrzewanie piecem kaflowym z ogrzewaniem podłogowym, gdzie wykorzystany jest kocioł kondensacyjny; dla pieca kaflowego sprawność wytwarzania (źródła) średnio wyniesie ok. 50%, a dla kotła kondensacyjnego ponad 100% (104%).
Jak to wpłynie na cenę 1GJ? …Łatwo przewidzieć. Porównanie, więc ceny paliw nie wystarczy; musimy jeszcze uwzględnić sprawności źródeł.
W Rozporządzeniu o metodyce określania charakterystyki energetycznej podane są przykładowe sprawności różnych źródeł ciepła i, przy braku innych danych, można te sprawności przyjmować do audytów czy świadectw energetycznych.
Popatrzmy jak zmieni się cena energii, jeżeli uwzględnimy sprawność źródła.
| gaz ziemny | węgiel kamienny | eko-groszek | olej opałowy | LPG | energia elektryczna | piec kaflowy | |
| jednostka | m3 | Mg | Mg | dcm3 | dcm3 | MWh | Mg |
| cena jednostkowa | 1,6 | 600 | 700 | 2,7 | 2,5 | 500 | 600 |
| ilość GJ/jednostkę | 0,0355 | 24 | 26 | 0,0364 | 0,023 | 3,6 | 24 |
| sprawność | 104% | 70% | 78% | 94% | 96% | 99% | 50% |
| koszt 1 GJ | 43,34 | 35,71 | 34,52 | 78,97 | 113,22 | 140,29 | 50 |
Dalej wprawdzie węgiel wygrywa, ale tylko w kotłach o nie najgorszej sprawności… dla pieca kaflowego cena 1GJ jest już wyższa niż z gazu.
W rzeczywistości sprawności źródeł ciepła mogą się znacznie różnić od normatywnych … pamiętajmy też, że wytwórcy źródeł ciepła podają swoje sprawności dla warunków optymalnej eksploatacji, a w praktyce np. mokry węgiel obniży nam sprawność wytwarzania o ok. o 10%; brudny wymiennik (sadza lub kamień kotłowy) - to kolejne starty na sprawności wytwarzania; kocioł o małym obciążeniu (poniżej 30%) traci kolejne „procenty”…
Uważam, że zawsze musimy uwzględniać sprawność źródła w wyliczaniu kosztu 1GJ, gdyż tylko w ten sposób można być w miarę obiektywnym oceniając koszty energii i porównując do siebie różne źródła wytwarzania tej energii.
Czy to wszystkie koszty związane z energią? Niestety nie. Musimy jeszcze policzyć tzw. koszty stałe. Do kosztów stałych zaliczymy wszystkie inne koszty, które poniesiemy niezależnie od ilości zużytego paliwa.
Do kosztów stałych zaliczyć, wiec możemy:
1) koszt obsługi (palaczy) i konserwacji
2) koszt remontów
3) wartość amortyzacji (odtworzenia) źródła ciepła
4) koszt opłat stałych związanych z paliwem (np. opłata stała za zamówioną moc gazu)
5) koszt energii elektrycznej do napędów elektrycznych (pompy, wentylatory itp.)
Jak policzyć takie koszty przedstawiam w tabeli poniżej. Opłaty stałe przeliczamy na miesięczny koszt dla źródła o mocy 1MW. Robimy tak, dlatego, że ciepłownie zawodowe operują takim wskaźnikiem (opłata stała w taryfach podawana jest w zł/MW/m-c), a także, dlatego, że metodologia wykonywania audytów energetycznych wykorzystuje ten rodzaj opłat. Przeliczony koszt na 1MW pozwala także na porównanie źródeł o różnej mocy.
| Rodzaj wydatku | jednostka | gaz ziemny | węgie kamienny |
eko-groszek | olej opałowy | LPG | energia elektryczna |
piec kaflowy |
| opłata stała (abonament/dzierżawa) |
zł/rok | 288 | 0 | 0 | 0 | 366 | 96 | 0 |
| koszt źródła ciepła (inwestycja) |
zł | 5 000 | 2 000 | 6 000 | 6 000 | 5 000 | 2 000 | 5 000 |
| lata eksploatacji | lata | 16 | 8 | 10 | 16 | 16 | 20 | 50 |
| odpis roczny (amortyzacja) |
zł/rok | 312,5 | 250 | 600 | 375 | 312,5 | 100 | 100 |
| moc urządzeń elektrycznych |
W | 70 | 70 | 120 | 80 | 70 | 0 | 0 |
| czas pracy urządzeń elektrycznych |
h | 6 000 | 6 000 | 6 000 | 6 000 | 6 000 | 0 | 0 |
| koszt energii elektrycznej |
zł/rok | 252 | 252 | 432 | 288 | 252 | 0 | 0 |
| obsługa, kominiarz | zł/rok | 200 | 100 | 100 | 200 | 200 | 0 | 25 |
| Razem w roku | zł | 1 052,50 | 602,00 | 1 132,00 | 863,00 | 1 130,50 | 196,00 | 125,00 |
| moc źródła ciepła | kW | 15 | 25 | 20 | 15 | 15 | 12 | 30 |
| opłata stała za MW | zł/MW/m-c | 5 847,22 | 2 006,67 | 4 716,67 | 4 794,44 | 6 280,56 | 1 361,11 | 347,22 |
W załączeniu przedstawiam dwa pliki Excela pozwalające na samodzielne sporządzanie taryf. Pierwszy, pod nazwą: Taryfa dla ciepła dla budynku jednorodzinnego, pozwala nam wykonać taryfę i ocenić koszty ogrzewania w budynkach małych i mieszkaniach, a kolejny plik: Metodyka liczenia taryfy w kotłowni osiedlowej, pozwala policzyć taryfę dla ciepła dla większych źródeł ciepła.
Na końcu tych tabel przedstawiłem także metodykę liczenia ceny 1GJ w tzw. taryfie jednoczłonowej, tzn. takiej, w której cena 1GJ zawiera zarówno opłaty zmienne, jak i stałe… i tak naprawdę dopiero ta cena pozwala nam ocenić różne rodzaje paliw i źródeł wytwarzania pod kątem kosztów energii.
Proszę zwrócić uwagę na pompę ciepła i koszt 1GJ w taryfie jednoczłonowej… wynik niestety nie jest najciekawszy.
Kolejnymi sprawnościami, które mają wpływ na ilość zużytego paliwa, to sprawność dystrybucji (transportu), sprawność regulacji i wykorzystania oraz sprawność akumulacji. Sprawności tych nie uwzględniamy jednak w cenie wytwarzanej energii, lecz przy ocenie całego systemu ogrzewania stosowanego w budynku.
Przez sprawność całkowitą rozumiemy, więc iloczyn sprawności cząstkowych:
sprawność całkowita = sprawność wytwarzania·sprawność dystrybucji·sprawność regulacji·sprawność akumulacji
Aby przybliżyć Wam różnice między poszczególnymi rodzajami energii i sprawnościami, zrobimy taki mały rysunek blokowy, na którym niebieskie strzałki obrazują straty (najczęściej procentowe), jakie ponosimy na każdym etapie przekazywania energii.
QK = Qnd/ηtot
Energia końcowa = Energia użytkowa/spr.całkowita
ηtot =ηg·ηs·ηd·ηe
Spr.całkowita = spr.wytworzenia·spr.akumulacji·spr.przesyłu·spr.regulacji
Rozporządzenie o metodologii charakterystyk energetycznych proponuje, aby te sprawności cząstkowe określić w oparciu o:
a) obowiązujące przepisy,
b) dokumentację techniczną budynku i instalacji oraz urządzeń,
c) wiedzę techniczną oraz wizję lokalną obiektu,
d) dostępne dane katalogowe urządzeń, elementów instalacji ogrzewczej i wentylacyjnej
Ale jest lepsza metoda!
Możemy, bowiem policzyć tę sprawność, jeżeli znamy ilość paliwa zużytego na ogrzanie budynku w danym roku i znamy średnie miesięczne temperatury zewnętrzne.Jak to działa w praktyce?
Przykład.
Budynek w Opolu ogrzewany jest gazem. W 2007 roku zużyliśmy tego gazu 25.700 m3. Jeżeli przyjmiemy, że wartość opałowa gazu wynosi 0,0355 GJ/m3, to łatwo określimy ilość energii końcowej zużytej przez nasz budynek:25.700m3 · 0,0355 GJ/m3 = 912,35 GJ/rok.
Z wykładu poprzedniego (nr 4) wiemy, że dla Opola ilość stopniodni w roku standardowym wynosi 3471,5… z tego samego wykładu dla roku 2007 liczba stopniodni dla Opola wyniosła 3302,5.Stosunek: Sdstd/Sd2007 = 1,051
W standardowym sezonie nasz budynek zużyje, więc: 912,35 GJ · 1,051 = 959,04 GJ
Wykonując teraz OZC (obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło) wykorzystując dostępne programy specjalistyczne (można „na piechotę”, ale jest to bardziej pracochłonne) ustalamy, jakie jest zapotrzebowanie na energię użytkową, tzn. taką, jaką potrzebuje nasz budynek, aby utrzymać w nim normową temperaturę (u nas 20°C), ale bez uwzględniania sprawności.
W OZC liczymy straty przez przegrody budowlane, ilości ciepła na ogrzanie powietrza wentylacyjnego i uwzględniamy zyski słoneczne i bytowe. W wyniku tych obliczeń otrzymamy zapotrzebowanie budynku na Energię użytkową.
Powiedzmy, że z wyliczeń wyszło nam, że budynek potrzebuje 850 GJ (OZC wykonujemy zawsze dla warunków standardowych).
Jeżeli znamy GJ w paliwie (przeliczone na standardowy sezon grzewczy), czyli Energię końcową, i policzyliśmy OZC (Energię użytkową), to chcąc wyznaczyć sprawność całkowitą wystarczy wykonać następujące działanie:
ηtot = Qnd/QK
w naszym przypadku:
ηtot = 850 GJ/959,04 GJ = 0,886
W razie potrzeby możemy spróbować podzielić tę sprawność na sprawności cząstkowe, ale nie jest to konieczne.
Zapamiętajmy!
Jeżeli wiemy ile paliwa (gazu, oleju opałowego, węgla, ciepła sieciowego, drewna, energii elektrycznej itd.) zużył budynek i dokonaliśmy wyliczenia OZC, to sprawność ZAWSZE powinniśmy wyznaczać na podstawie ilości tego paliwa.
Taka metoda jest najbardziej realna i bezpieczna, gdyż szacowanie sprawności cząstkowych bywa często trudne i nie rzadko, mało precyzyjne.
Oczywiście dla budynków nowo projektowanych lub nowo budowanych posługujemy się tabelami lub danymi projektowymi (katalogowymi), ale jeżeli mamy oceniać system ogrzewania budynków istniejących to zawsze korzystajmy z danych rzeczywistych, a nie teoretycznych.
Oczywiście jest tutaj jeden ważny element… na ile dokładnie policzyliśmy OZC, czyli energię użytkową…, ale to już temat na inny wykład.
Pytania do wykładu:
1) Proszę policzyć koszt 1 GJ dla kotła olejowego o sprawności 89%, wartości opałowej oleju 42,6 MJ/kg i cenie 2,9 zł/dcm3.
2) Jakie mogą być składniki opłaty stałej?
3) Do jakiego rodzaju kosztów (stałych, czy zmiennych) zaliczysz transport węgla do kotłowni?
4) Kotłownia szkolna w Prudniku w 2007 roku zużyła 200 ton koksu (wartość opałowa koksu: 28 GJ/Mg). Z obliczeń OZC zapotrzebowanie na energię użytkową wynosi 850.000 kWh/rok. Wyznacz sprawność całkowitą sytemu ogrzewania budynku.
5) Oblicz opłacalność zamiany kotłowni węglowej o mocy 400 kW z roku 1980, na kotłownię gazową. Przyjmij sprawności źródeł wg danych rozporządzenia o charakterystyce energetycznej. Kotłownię węglową obsługiwało czterech palaczy.
6) Roczne opłaty stałe w kotłowni osiedlowej o mocy 240 kW wyniosły 20.000 zł. Wyznacz cenę 1MW/m-c.
Wykład 8: Ciepła woda użytkowa
Prowadzący: Andrzej Jurkiewicz
Zużycie ciepłej wody zależy od tego, w jakim celu jej używamy. Przykładowo, dla indywidualnych osób zużycie cwu waha się od 30 do 80 litrów/dobę/osobę; średnio przyjmujemy, że jest to 35 dcm3/dobę dla budynków indywidualnych, a 48 dcm3/dobę dla budynków wielorodzinnych (20% mniej, jeżeli stosujemy w budynku wodomierze indywidualne do rozliczenia zużycia cwu).
W starszych normach zalecany był wskaźnik 110 dcm3/osobę/dobę. Jest to prawie 3 razy więcej niż rzeczywiste obecne zużycie ciepłej wody. Zużycie 110 dcm3 cwu jest dzisiaj praktycznie niespotykane, ale urządzenia w starszych węzłach cieplnych (kotłowniach), które służyły do podgrzewu ciepłej wody, były dobierane na takie parametry. Wielkość ta pośrednio wpływa także na moc zamówioną na potrzeby podgrzewu cwu i często moc ta jest znacznie zawyżona (wrócimy do metodyki liczenia tej mocy w dalszej części wykładu).
W tabeli poniżej podajemy zużycie wody na osobę (zimnej i ciepłej) dla typowych czynności w obecnym, w miarę nowoczesnym (tzn. wyposażonym w zmywarkę, pralkę automatyczną, wodomierze, perlatory, pojemnościowe podgrzewacze wody) gospodarstwie domowym.
| Cel | dm3/osoba/doba | Woda zimna 10°C | Cwu 55-60°C |
| Picie, gotowanie | 4 | 4 | 0 |
| Mycie naczyń | 12 | 6 | 6 |
| Mycie ciała | 12 | 6 | 6 |
| Kąpiel (pry/wan) | 33 | 16,5 | 16,5 |
| Spłuczka | 38 | 38 | 0 |
| Pranie | 18 | 18 | 0 |
| Sprzątanie i in. | 8 | 4 | 4 |
| Razem | 125 | 92,5 | 32,5 |
| % | 100 | 74 | 26 |
Jak widzimy obecnie całkowite zużycie wody w gospodarstwie wynosi 110-140 dcm3/osobę na dobę, a kiedyś przyjmowaliśmy zużycie na tym poziomie tylko dla ciepłej wody. Dla naszych dalszych rozważań przyjmijmy, że zużycie cwu wynosi 40 dcm3/dobę/osobę. Temperatura ciepłej wody powinna wynosić 55°C w punkcie czerpalnym, czyli kranie (wylewce). Średnia temperatura wody zimnej wynosi 10°C. Policzmy teraz, jaką ilość energii potrzebujemy dla podgrzania 1m3 wody od 10°C do 55°C. Przyjmijmy, że 1 dcm3 wody ma masę 1 kg (gęstość 1000 kg/m3), czyli 1m3 ma masę 1000 kg. Jednostka 1m3 wody nie jest przypadkowa, gdyż zużycie miesięczne ciepłej wody mierzone jest przez wodomierze najczęściej właśnie w m3.
Korzystamy ze znanego wzoru:
Φ = 1000kg*4,19kJ/(kg*K)*(55-10)K = 188.550kJ = 0,189 GJ
Policzmy, ile energii w ciągu roku dla potrzeb ciepłej wody zużyje 4-ro osobowa rodzina? Najpierw policzmy ilość zużywanej wody:
W metodyce dla wykonywania charakterystyk energetycznych proponuje się, aby uwzględniać okresy urlopowe i przyjmować się wskaźnik do czasu użytkowania równy 0, 9 (10% czasu spędzamy na wakacjach). Można uwzględniać ten wskaźnik dla przypadku, gdy nie znamy rzeczywistego zużycia ciepłej wody w budynku, lub dla założeń projektowych.
W naszym przypadku ilość energii zużytej dla potrzeb cwu wyniesie:
Jest to jednak tylko energia użytkowa. Pamiętajmy, że tak naprawdę ważna jest energia końcowa, którą zużyjemy do podgrzewu cwu. Energia ta, oprócz energii użytkowej, uwzględnia także sprawność źródła (wytwarzania) oraz energię dla pokrycia strat związanych z magazynowaniem (strata akumulacji) oraz przesyłem ciepłej wody od źródła ciepła do punktów czerpalnych (strata dystrybucyjna). Aby wyznaczyć energię końcową musimy znać (przyjąć) sprawności poszczególnych elementów systemu podgrzewania cwu. Sprawność końcowa zależy, bowiem od sprawności źródła, strat przesyłu (dystrybucji), oraz start anulacji (zbiornika akumulacyjnego).
Zależność miedzy energią końcową a energią użytkową opisujemy wzorem:
ηw,tot = ηW,g*ηW,d*ηW,s
QW,K - energia końcowa
QW,nd – energia użytkowa
ηw,tot – sprawność całkowita
ηW,g; ηW,d; ηW,s – sprawności cząstkowe odpowiednio: wytwarzania, dystrybucji i akumulacji
Przykładowe sprawności znajdziemy w Rozporządzeniu o metodologii wykonywania charakterystyki energetycznej.
W Załączniku CWU przedstawiam przykładowy arkusz kalkulacyjny dla liczenia sprawności oraz ilości zużywanej energii dla potrzeb cwu z wykorzystaniem danych z w/w Rozporządzenia.
Czy jednak jest to jedyna metoda na wyznaczenie zużycia energii dla potrzeb cwu? A co będzie, gdy w rzeczywistych warunkach sprawności cząstkowe (wytwarzania, dystrybucji i akumulacji) będą się znaczne różniły od tych „średnich” czy „katalogowych”?
W jaki sposób wyznaczyć sprawność końcową dla warunków rzeczywistych?
Jeżeli dysponujemy rzeczywistymi danymi zużycia cwu w danym okresie (w m3) oraz ilością energii (licznik ciepła), lub ilością paliwa (energii chemicznej paliwa), które zużyliśmy do jej podgrzewu, to bez większego trudu wyznaczymy sprawność całkowitą sytemu. Nie interesują nas wtedy nawet sprawności cząstkowe, choć przy niskiej sprawności całkowitej warto zastanowić się, która z tych sprawności jest najniższa i dlaczego. Metodykę liczenia sprawności końcowej dla cwu dla różnych paliw podaję w Załączniku CWU – sprawność rzeczywista. W załączniku tym wyliczono także koszt roczny podgrzania cwu oraz wyznaczono cenę jednostkową podgrzewu cwu (w zł/m3) dla różnych źródeł ciepła.
Źródła ciepła dla cwu
Źródła ciepła, które podgrzewają ciepłą wodę można podzielić np. biorąc pod uwagę rodzaj paliwa, które stosujemy, np. gazowe, olejowe, węglowe, elektryczne, węzeł cieplny, pompa ciepła, wykorzystujące biomasę, energię słoneczną, gaz LPG, parę grzewczą i układy kombinowane (np. kolektor słoneczny z grzałką elektryczną).
Oczywiście w ramach każdego z tych źródeł możemy dokonać kolejnych podziałów, np. źródła gazowe możemy podzielić na przepływowe (np. junkersy), kotły tradycyjne, kotły kondensacyjne, kotły z zasobnikiem cwu itd.
Od rodzaju zastosowanego źródła ciepła zależy sprawność wytwarzania energii cieplnej. Najniższą mają podgrzewacze gazowe starego typu (tzw. junkersy) – średnio ok. 40-50%. Tak niska sprawność wynika głównie ze sposobu użytkowania takich „piecyków”; najczęściej, bowiem odkręcamy kran z ciepłą wodą, gaz w palnikach się „zapali”, lecz nie zdąży podgrzać wody, gdyż już za chwilę zakręcamy kran z wodą. Ciepła woda zostaje w wymienniku, który w ciągu kilku minut wystygnie (ciąg kominowy powoduje wychłodzenie wymiennika). Przy takim sposobie „podgrzewu” wody praktycznie nie korzystaliśmy z ciepłej wody, ale straciliśmy prawie całą energię, którą zużyliśmy do podgrzania wody w wymienniku. Te chwilowe pobory są przyczyną tak niskich sprawności podgrzewaczy gazowych przepływowych. Przykładowe sprawności różnych źródeł ciepła podano w Załączniku CWU – sprawność rzeczywista.
Z uwagi na niską temperaturę wody zimnej, bardzo dobrze, jako podgrzewacze cwu, sprawdzają się kolektory słoneczne; o szczegółach napiszemy przy okazji omawiania źródeł odnawialnych.
Metody oszczędzania energii i ilości cwu
Zacznijmy od tego, że proporcje energii zużywanej na cele ogrzewania budynku i dla podgrzewana cwu mogą być bardzo różne. W budynkach bez termomodernizacji ok. 70-80% energii zużywanej jest w celu ogrzania budynku, a 20-30% dla potrzeb cwu. Po wykonaniu termomodernizacji budynku (montaż zaworów termostatycznych, wprowadzenie regulacji pogodowej, ocieplenie ścian, stropu, wymiana okien) lub w budynkach nowych, proporcje będą zupełnie inne; okazuje się, że nierzadko większe są koszty podgrzania ciepłej wody niż ogrzania budynku. W tym wypadku warto wprowadzić kolejny etap modernizacji związany z obniżeniem ilości energii i wody zużywanej przez budynek związanej właśnie z ciepłą wodą użytkową.
Już samo wprowadzenie indywidualnego rozliczania cwu powoduje obniżenie zużycia cwu (oraz energii cieplnej) o ok. 20%. Jest to najprostszy i najtańszy sposób obniżania kosztów (jest to także zalecenie prawne w WT2009)
Na schemacie poniżej przedstawiamy system podgrzewu i dystrybucji cwu w budynku wielorodzinnym z centralnym systemem cwu, gdzie pokazujemy niektóre metody oszczędzania energii i wody.
Przykładowe metody obniżania zużycia energii (ilości wody) w systemach przygotowania cwu, oraz szacowane oszczędności wraz z kosztami jednostkowymi przedstawiam w tabeli poniżej:
| L.p. | Opis przedsięwzięcia | % oszczędności | Koszt jednostk. |
| 1 | Montaż wodomierzy indywidualnych | 20% | 70 zł/szt |
| 2 | Wprowadzenie perlatorów na wylewkach | 20% | 10 zł/szt |
| 3 | Wprowadzenie baterii jednouchwytowych | 20% | 200 zł/szt. |
| 3a | Wprowadzenie baterii bezdotykowych (czujnik ruchu) | 30% | 400 zł/szt. |
| 4 | Wprowadzenie baterii termostatycznych | 50% | 500 zł/szt |
| 5 | Ograniczenie czasu pracy pomp cyrkulacyjnych (wyłączanie pomp w nocy) | 5% | 1000 zł/pompę |
| 6 | Obniżenie temperatury ciepłej wody o 1°C | 0,5% | 0 zł |
| 7 | Kontrola (obniżenie) temperatury wody w przewodach cyrkulacyjnych przez zawory podpionowe termostatyczne | 15% | 500 zł/pion |
| 8 | Sterownie pracą pompy cyrkulacyjnej w zależności od temperatury wody w cyrkulacji (kontrola temperatury w dwóch punktach) | 12% | 2000 zł/układ |
| 9 | Regulacja hydrauliczna (kryzowanie) podpionowa w przewodach cyrkulacyjnych | 5% | 200 zł/pion |
| 10 | Izolowanie przewodów ciepłej wody i cyrkulacji | 10% | 10 zł/mb |
| 11 | Wprowadznie regulatorów ciśnienia wody (zimnej i ciepłej) | 15% | 2000 zł/kpl |
Pragnę zwrócić uwagę na bardzo duże straty związane z pracującą cyrkulacją (vide Załącznik CWU); w dużych systemach starty te często sięgają 50%. Dla ograniczenia tej straty, można zastosować podpionowe zawory termostatyczne, które montowane są na pionach cyrkulacyjnych i działają w ten sposób, że po osiągnięciu temperatury nastawionej na zaworze (np. 40°C) zawór się zamyka. W ten sposób w kranach zawsze jest woda o temperaturze, co najmniej 40°C, ale ograniczony jest przepływ ciepłej wody przez cyrkulację. Jest to skuteczna, ale droga metoda oszczędzania, gdyż koszt jednego zaworu z montażem wynosi ok. 500-600 zł, a musimy je zamontować na każdym pionie cyrkulacyjnym. Dużo tańszą metodą jest sterownie pracą pompy cyrkulacyjnej, w ten sposób, że pompa jest wyłączana, jeżeli temperatura w najdalszym pionie cyrkulacyjnym (patrząc od źródła ciepła) osiągnie nastawione minimum (np. 40°C), a załączenie pompy nastąpi, gdy temperatura wody cyrkulacyjnej w pobliżu pompy, spadnie poniżej minimalnej (np. 38°C). W przypadku tego układu nie tylko zmniejszamy straty cyrkulacji, ale także zmniejszamy zużycie energii elektrycznej (pompa cyrkulacyjna pracuje okresowo). Niekiedy stosuje się proste zegary dobowe sterujące pracą pompy w ten sposób, że w okresie nocnym (np. od 23.00 do 5.00) pompa cyrkulacyjna jest wyłączana.
I jeszcze jedna ważna, bezinwestycyjna, metoda na oszczędzanie energii dla cwu: obniżenie temperatury cwu o kilka stopni (nawet do 40-42°C). Na każdy obniżony stopień cwu zyskamy ok. 0,5% energii. Przepisy wymagają wprawdzie, aby w punkcie czerpalnym (kranie) temperatura wody wynosiła 55°C (dopuszcza się obniżenie do 50°C). Nie do końca się z tym zgadzam. Po co podgrzewać wodę w źródle do 60°C, skoro i tak musimy ją zmieszać z wodą zimną? Przecież, ciepła woda do mycia i kąpieli powinna mieć temperaturę nie wyższą niż 40°C (wyższa temperatura grozi poparzeniem). Niektórzy tłumaczą, że tak wysoka temperatura jest wymagana ze względu na „walkę” z bakterią Legionelli, ale bakteria ta ginie dopiero w temperaturze powyżej 70°C. Bakterie te rozmnażają się głównie w zbiornikach, gdzie występują tzw. strefy „martwe”, gdyż, aby się rozmnożyć wymagają wody „stojącej”. Przy stałym korzystaniu z cwu i pracujących układach cyrkulacyjnych, w przewodach ciepłej wody i cyrkulacji, nie występują praktycznie strefy martwe, więc bakterie te nie ma zbyt dużych szans, aby przekroczyć ilości dopuszczalne normą (w niewielkich ilościach bakteria ta jest nieszkodliwa dla zdrowia). Najlepszą metodą na walkę z tą bakterią jest okresowe podgrzewanie wody w zasobnikach; zaleca się, aby raz na dwa tygodnie, przez okres ok. 1-2 godzin podgrzewać wodę w zasobnikach do temperatury 70-75°C. Nawet wymóg taki znalazł się w przepisach WT2009, ale jest on rzadko stosowany w praktyce.
Drugim powodem, dla którego nie godzimy się na obniżanie temperatury cwu jest błędnie rozumiany system rozliczeń. Obniżenie temperatury cwu powoduje, że zaczynamy zużywać tej wody więcej, a rozliczamy się na podstawie wskazań wodomierzy w mieszkaniu. Uważamy, więc, że będziemy płacić za tę ciepłą wodę więcej. Problem w tym, że nie bierzemy pod uwagę faktu, że zmniejsza nam się jednocześnie zużycie wody zimnej, która służyła do obniżania temperatury wody ciepłej… ilość wody zimnej i ciepłej będzie taka sama, niezależnie od tego czy w kranie mamy ciepłą wodę o temperaturze 45°C, czy 55°C… woda użytkowa (po zmieszaniu z wodą zimną) zawsze będzie miała temperaturę w granicach 35-40°C. Tak naprawdę przy rozliczaniu końcowym kosztu podgrzewu ciepłej wody, płacimy za paliwo (lub energię), a tego na pewno zużyjemy mniej, jak obniżymy temperaturę cwu. Zyskujemy głownie na mniejszych stratach w samym źródle ciepła (źródło rzadziej się włącza i mniejsze są straty przez obudowę i straty postojowe), jak i na mniejszych stratach na przesyle cwu (niższa temperatura wody generuje mniejsze straty w przewodach) oraz w samym zasobniku cwu.
Wyznaczanie mocy źródła
Dla podgrzewaczy przypływowych bez zasobników moc źródła musi zapewnić bieżące podgrzanie strumienia wody przepływającej przez podgrzewacz. Często, w domach jednorodzinnych, wyposażonych w dwufunkcyjne kotły gazowe pracujące bez zasobnika cwu, moc kotła dobierana jest nie pod potrzeby centralnego ogrzewania, ale pod potrzeby cwu. Przykładowo, przyjmując, że mamy zapewnić ciepłą wodę w dwóch kranach jednocześnie moc kotła pracującego dla potrzeb cwu wyniesie 25-30 kW, a ogrzewanie budynku wykonanego w nowej technologii (U ścian poniżej 0,2 W/m2*K i okna o współczynniku 1,1 W/m2*K) o powierzchni 200 m2 potrzebuje moc grzewczą dla warunków obliczeniowych (dla Opola jest to – 20°C) ok. 10 kW. Zawsze takie kotły pracują z tzw. priorytetem ciepłej wody. Oznacza to, że w przypadku, gdy podgrzewana jest ciepła woda, cała moc kotła przekazywana jest dla tego celu, a centralne ogrzewanie jest w tym momencie pozbawione energii. System „priorytetu ciepłej wody” można także wykorzystywać w dużych instalacjach wyposażonych w odpowiednie zasobniki ciepłej wody. Jest to bardzo ciekawy układ z punktu widzenia kosztów związanych z mocą zamówioną w systemach miejskich… W tym wypadku moc zamówiona na cele podgrzewu cwu wyniesie… 0 kW, gdyż moc zamówiona dla c.o. w zupełności wystarcza na pokrycie wszystkich potrzeb cieplnych budynku (w dużych budynkach moc zamówiona na c.o jest, co najmniej, dwa-trzy razy większa niż dla cwu). Układ z priorytetem cwu powoduje, że w przypadku poborów szczytowych cwu (godziny ranne 6-8 i wieczorne 19-21), cała moc węzła cieplnego (w formie przepływu wody grzewczej) może być wykorzystana dla celów podgrzania cwu, kosztem przerwy w dostawie ciepła dla potrzeb ogrzewania budynku. Zauważmy, bowiem, że nawet jak przerwa w ogrzewaniu dużego budynku wyniesie 1-2 godziny, to nie zdąży on „odczuwalnie” utracić swej energii zgromadzonej w instalacji oraz w przegrodach i wyposażeniu (jest to wykorzystanie tzw. pojemności cieplnej instalacji i budynku); takiej przerwy w braku ogrzewania (przy pracującej pompie obiegowej c.o.), w zasadzie, nie odczujemy. Po zakończonym szczycie poboru cwu, budynek zostanie szybko dogrzany do wymaganej temperatury.
Na schemacie poniżej pokazujemy przykładowy węzeł cieplny dwufunkcyjny z priorytetem cwu. Przy poborach szczytowych cwu, dostarczanie energii przez zawór trójdrogowy c.o. zostaje ograniczone lub wręcz wstrzymane; pompa obiegowa pracuje w sposób ciągły.
W układach takich ważna jest pojemność zasobników, które muszą zapewnić odpowiednią ilość cwu na szczytowe pobory. Najlepiej jak pojemność tych zbiorników jest równa dwugodzinnemu średniemu przepływowi cwu w ciągu doby.
Moc źródła cwu
Metodykę wyznaczania mocy źródła (lub mocy zamówionej) opisano w Załączniku Moc cwu. W załączniku tym przedstawiono także przykładowe propozycje zmian, które spowodują obniżenie kosztów dostawy cwu o ok. 50%.
Zawyżanie mocy zamówionej na cele cwu przez dostawców ciepła jest powszechne i dotyczy ok. 90% węzłów cieplnych. Wynika to z faktu stosowania znacznie zawyżonej „starej” normy zużycia dobowego cwu (110 dcm3/dobę/osobę). Zastosowanie przedstawionego algorytmu wyznaczania mocy zamówionej może być podstawą do wystąpienia do dostawcy ciepła o obniżenie tej mocy… uwaga: zgodnie z prawem, wielkość mocy zamówionej na cele ogrzewania i cwu wyznacza ODBIORCA energii, a nie jej DOSTAWCA - korzystajmy z tego prawa!
Wzór na moc jednogodzinową (liczoną dla przepływu ciepłej wody w ciągu jednej godziny):
Vhśr – średni strumień cwu w m3/h w ciągu czasu użytkowania cwu w dobie (np. dla „mieszkaniówki” czas użytkowania wynosi 18 godzin, dla biur może być 8h, dla szkoły 12h) wyliczany, jako iloraz zużycia dobowego cwu (w m3) i czasu użytkowania cwu.
cw – ciepło właściwe wody przyjmowane, jako 4,19 kJ/(kg*K)
Φcw – temperatura cwu w ºC (w zasadzie powinno być w Kelwinach)
Φz - temperatura wody zimnej w ºC przyjmowana, jako 10°C
0,278 jest jednostką przeliczeniwą, gdyż moc chcemy policzyć w kW
Nh – współczynnik nierównomierności rozbioru wyliczany wzoru:
Współczynnik Nh uwzględnia ilość osób korzystających z ciepłej wody (z danego źródła); im większa liczba osób, tym współczynnik ten będzie mniejszy; chodzi o to, że im więcej osób mieszka w danym budynku tym mniejsze jest prawdopodobieństwo, że wszyscy na raz będą korzystali z ciepłej wody (oczywiście chodzi o scentralizowane układy dostawy ciepłej wody).
Przykładowe wartości tego współczynnika przedstawia poniższa tabela:
| Liczba osób | 1 | 2 | 4 | 8 | 20 | 50 | 100 | 200 | 500 | 1000 |
| Nh | 9,32 | 7,87 | 6,65 | 5,61 | 4,49 | 3,59 | 3,03 | 2,56 | 2,05 | 1,73 |
Modernizacja układu ciepłej wody jest kolejnym krokiem w ramach termomodernizacji budynku. Nierzadko koszty modernizacji zwracają się w bardzo krótkim okresie czasu. Warto zwrócić uwagę na „bezinwestycyjne” możliwości oszczędzania energii na cwu związanych np. z obniżeniem temperatury cwu z 55°C do 50°C (w domach jednorodzinnych można nawet do 45°C).
Pytania:
1. Dlaczego kotły kondensacyjne mogą osiągać sprawność powyżej 100%?
2. Rodzina zużyła 50m3 cwu na rok, korzystając z miejskiego systemu ciepłowniczego. Policz ilość energii, którą zużyje ta rodzina przy założeniu sprawności końcowej wynoszącej 70%. Jaka będzie oszczędność energii przy założeniu wprowadzenia jednej baterii termostatycznej w prysznicu (w mieszkaniu nie ma wanny) oraz baterii jednouchwytowych w dwóch kranach? Dla ceny 50 zł/GJ policz prosty czas zwrotu inwestycji. Przyjmij, że temperatura cwu wynosi 55°C.
3. Policz ile gazu zużyje podgrzewacz przepływowy o sprawności 45% przy zużyciu 50m3 wody. Jaki będzie roczny koszt dostawy cwu, jeżeli cena gazu wynosi 2zł. Policz roczny koszt dostawy cwu, jeżeli wymienimy „stary junkers” na podgrzewacz gazowy z zapalnikiem elektrycznym. Sprawność nowego podgrzewacza przyjmij, jako średnią na podstawie danych Rozporządzenia o metodyce wykonywania charakterystyk energetycznych.
4. Co to jest perlator i jak działa?