Pompy ciepła | Oświetlenie LED, żarówki LED | Kolektory słoneczne | Certyfikat energetyczny | Podłogówka

Opłacalność ekonomiczna zastosowania instalacji kolektorów słonecznych...

W miejscowości Kamieniec Wrocławski, która znajduje się około jednego kilometra od granic Wrocławia, od 2001 r. prowadzone są badania na specjalnie przygotowanym stanowisku badawczym. Na rysunku 1 pokazano dwa kolektory cieczowe płytowe (łączna powierzchnia 5 m2) zainstalowane na południowej połaci dachu budynku, nachylonej pod kątem 42° do powierzchni terenu. Budynek obrócony jest w kierunku wschodnim o 11,5° względem południa.

Tu jest miejsce na reklamę. Zobacz cennik

Prof. dr hab. inż. Edward Hutnik, dr inż. Jarosław Dąbrowski

Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Katedra Budownictwa i Infrastruktury

Opłacalność ekonomiczna zastosowania instalacji kolektorów słonecznych do podgrzewania wody użytkowej

Okres taniej energii pochodzącej z surowców naturalnych należy do przeszłości. Z każdym miesiącem cena baryłki ropy osiąga kolejne rekordowe wartości z okresowymi i krótkotrwały-mi wahaniami. Gaz ziemny, importowany przez Polskę głównie z Rosji, w ciągu ostatnich dwóch lat podrożał dla odbiorcy indywidualnego o 38%. Perspektywa wyczerpywania się tradycyjnych źródeł energii pierwotnej, przy coraz większym zapotrzebowaniu na energię, zdecydowanie będzie wpływać na wzrost cen surowców naturalnych na światowych giełdach. Obecny wysoki poziom cen prawie wszystkich nośników energii konwencjonalnej powoduje, że w naszych warunkach geograficznych coraz bardziej opłacalne ekonomicznie staje się wykorzystywanie niekonwencjonalnych źródeł czystej energii (instalacja kolektorów słonecznych). Tym bardziej że w ostatnich latach obserwuje się tendencje spadkowe cen typowych zestawów instalacji słonecznych. Spadek ten spowodowany jest między innymi coraz większą liczbą firm produkujących gotowe instalacje oraz produkcją na masową skalę, która obniża jednostkowe koszty wytworzenia pojedynczego zestawu.

Stanowisko badawcze

W miejscowości Kamieniec Wrocławski, która znajduje się około jednego kilometra od granic Wrocławia, od 2001 r. prowadzone są badania na specjalnie przygotowanym stanowisku badawczym. Na rysunku 1 pokazano dwa kolektory cieczowe płytowe (łączna powierzchnia 5 m2) zainstalowane na południowej połaci dachu budynku, nachylonej pod kątem 42° do powierzchni terenu. Budynek obrócony jest w kierunku wschodnim o 11,5° względem południa.

solary1">

Rys. 1. Widok stanowiska badawczego z zainstalowanymi kolektorami słonecznymi na południowej połaci dachu

Badania prowadzono przez okres czterech lat, od 31 grudnia 2001 r. do 1 stycznia 2006 r., dokonując odczyt z ciepłomierzy codziennie o godzinie 22⁰⁰, po zakończeniu dziennego rozbioru wody. Dopływ energii cieplnej z kotła może nastąpić tylko w ustalonych przedziałach czasowych, zaprogramowanych w regulatorze sterującym pracą kotła. Okres dostarczania ciepłej wody dla mieszkańców domu zaprogramowano w taki sposób, aby w momencie porannego poboru wody jak i przez cały dzień ciepła woda była dostępna o żądanych parametrach użytkowych. W okresie braku zapotrzebowania, czyli: późny wieczór, noc i wcześnie rano, nie następowało dogrzewanie wody w podgrzewaczu przez kocioł. Rozbiór ciepłej wody użytkowej wynosił średnio w ciągu doby 204 l. Natomiast dopływ energii cieplnej z kolektorów słonecznych następował w momencie, kiedy pomiędzy czujnikiem temperatury czynnika w kolektorze i dolnym czujnikiem temperatury w podgrzewaczu zmierzona różnica temperatur była wyższa niż wartość ustawiona w elektronicznym regulatorze. Minimalną temperaturę dostarczanej ciepłej wody ustawiono na 41°C. Temperaturę w dolnej części podgrzewacza ograniczono do 50°C. W momencie osiągnięcia 50°C czujnik w dolnej części podgrzewacza przekazywał sygnał do elektronicznego regulatora różnicowego temperatury, który przerywał dopływ energii cieplnej z kolektorów. Ograniczenie to zostało wprowadzone ze względu na ochronę podgrzewacza przed wytrącaniem się kamienia kotłowego, które następuje przy temperaturze powyżej 65°C.

Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego:

1 – kolektory, 2 – dwusystemowy podgrzewacz c.w.u. (300 l), 3 – elektroniczny regulator różnicowy temperatury, 4 – kocioł, 5 – czujnik temperatury w kolektorze, 6 – czujnik temperatury dolnej części podgrzewacza, 7 – czujnik temperatury górnej części podgrzewacza, 8/9 – ciepłomierz, 10 – wodomierz, 11/12 – pompa, 13 – naczynie wzbiorcze, 14 – zawór bezpieczeństwa, 15 – odpowietrznik, 16 – zawór zwrotny, 17 – zawór zamykający, 18 – armatura do napełniania instalacji, 19 – separator powietrza, 20 – pętla termoizolacyjna

Od maja do sierpnia temperaturę w dolnej części podgrzewacza ograniczono do 40°C, aby w jego górnej części temperatura wody nie przekroczyła 65°C. Schemat pracującej instalacji słonecznej na stanowisku badawczym przedstawiono na rysunku 2.

Analiza opłacalności ekonomicznej

Istnieje wiele czynników, które mają wpływ na opłacalność ekonomiczną zastosowania instalacji kolektorów słonecznych do podgrzewania wody użytkowej.

Pierwszym z nich jest właściwy wybór obiektu budowlanego. Dokładnie chodzi o to, jaki nośnik energii konwencjonalnej będzie zastąpiony energią pozyskaną przez kolektory. Nośniki energii konwencjonalnej, wykorzystywane do podgrzewania wody, różnią się m.in.: ceną, dostępnością, wartością opałową, obciążeniem dla środowiska naturalnego oraz różną technologią ich spalania. Najlepsze efekty, jeżeli chodzi o opłacalność inwestycji, osiąga się w obiektach, gdzie zastępujemy najdroższe nośniki energii konwencjonalnej energią pozyskaną z instalacji słonecznej. W tabeli 1 porównano różne nośniki energii konwencjonalnej pod względem ich wartości opałowej, sprawności wykorzystania, ceny i faktycznych kosztów jej wytworzenia.

Jak wynika z tabeli 1, do najdroższych nośników energii można zaliczyć gaz płynny (propan) oraz energię elektryczną, gdzie koszt wykorzystania 1 GJ energii wynosi odpowiednio 98,20 zł i 105,77 zł. Średnie koszty wykorzystania 1 GJ energii wyniosą odpowiednio, przy użyciu gazu ziemnego 44,57 zł i oleju opałowego 73,88 zł. Natomiast do tanich nośników energii można zaliczyć węgiel kamienny (25,86 zł/GJ) oraz ciepło sieciowe 37,92 zł/GJ.

Kolejnym czynnikiem wpływającym na opłacalność inwestycji jest wielkość zasobów energii słonecznej występujących w miejscu zainstalowania kolektorów słonecznych. Zgodnie z rejonizacją rolniczo-klimatyczną [5], stanowisko badawcze leży w „Dzielnicy wrocławskiej”, obejmującej Nizinę Śląską, która jest najcieplejszym rejonem Polski. Średnia wieloletnia (1961–1995) średnio roczna temperatura powietrza dla Obserwatorium Wrocław – Swojec wynosi 8,5°C [1]. Natomiast średnia wieloletnia (1961–1995) suma roczna usłonecznienia kształtuje się na poziomie 1418,2 h [1], a suma roczna promieniowania całkowi-tego dla tej średniej wieloletniej (1961–1995) osiąga wartość 3719,9 MJ/m2 [1]. Przy tym średnie wieloletnie (1961–1995) sumy opadów atmosferycznych w rejonie nizinnym Dolnego Śląska wynoszą 550–600 mm.

Zorientowanie powierzchni kolektorów względem padających promieni słonecznych jest także czynnikiem, który wpływa na efektywność pozyskiwania energii cieplnej przez kolektory. Z przeprowadzonej symulacji komputerowej wynika, że odchylenie położenia kolektorów słonecznych od kierunku południowego w zakresie od 40° do –20° spowoduje spadek pozyskiwanej energii cieplnej maksymalnie o 1,7%. Natomiast zmiana pochylenia kolektorów względem płaszczyzny poziomej, w zakresie od 30° do 60°, spowoduje maksymalny spadek pozyskiwanej energii cieplnej o 1,2%. Po przeprowadzeniu czteroletnich badań na stanowisku badawczym (ustawienie kolektorów było optymalne dla najefektywniejszego pozyskiwania energii słonecznej w okresie całorocznym) otrzymano energię cieplną z instalacji słonecznej (tab. 2), która to energia została wykorzystana do podgrzania wody użytkowej.

Tabela 1 Koszt wytworzenia 1 GJ energii cieplnej dla odbiorcy indywidualnego na dzień 6 listopada 2006 r.

Przedstawione w tabeli 2 wyniki pozyskania energii cieplnej wskazują jej faktyczną ilość dostarczoną do podgrzewacza, z uwzględnieniem strat cieplnych występujących na kolektorach i instalacji transportującej czynnik.

Tabela 2 Wyniki badań dla poszczególnych lat (od 2002 do 2005)

Do dalszej analizy ekonomicznej przyjęto, że w ciągu okresu rocznego można zaoszczędzić (wykorzystując instalację słoneczną) E_ŚR = 9,419 GJ energii cieplnej, która to energia posłużyła do podgrzania wody użytkowej.

E_SR=(E1+E2+E3+E4) / 2 (1)

Cena zakupu instalacji słonecznej jest jednym z głównych czynników decydujących o opłacalności zastosowania układów słonecznych. Im niższa jej cena, tym szybszy może być czas zwrotu poniesionych kosztów zakupu instalacji słonecznej, choć nie w każdym przypadku (za niższą ceną przeważnie kryje się niższa sprawność i trwałość instalacji).

Obecnie na rynku polskim sprzedaje swoje produkty wiele firm polskich i zagranicznych. Instalacje słoneczne produkowane przez firmy różnią się jakością wykonania, poziomem technicznym, ceną i długością bezawaryjnej eksploatacji układów. Do prowadzonych badań wykorzystano instalację słoneczną zachodniej firmy. Jest to standardowa instalacja słoneczna z dwoma panelami kolektorów płaskich, wykonana z bardzo dobrych pod względem jakości materiałów.

Cena kompletnego zestawu 1 (powierzchnia kolektorów 5 m2),na dzień 6 listopada 2006 r., wynosi C = 14 800 zł (bez przewodów przyłączeniowych). Cena samego 300 l podgrzewacza dwuwężownicowego ciepłej wody wynosi 6120 zł. Do dalszej analizy przyjęto, że w przypadku budynku bez zamontowanej instalacji słonecznej występuje także potrzeba zakupu podgrzewacza pojemnościowego, ale o mniejszej pojemności. Od ceny zestawu odejmujemy CP-120 = 3890 zł (cena podgrzewacza jednowężownicowego o pojemności 120 l tej samej firmy). Tak więc końcowa cena rozbudowy systemu podgrzewania ciepłej wody (bez kosztów montażu) w budynku o instalację kolektorów słonecznych wyniesie CK = 10 910 zł.

CK = C – CP-120 (2)

Do analizy ekonomicznej wzięto także podobnej klasy zestaw instalacji słonecznej, tej samej firmy, ale składający się z dwóch kolektorów płaskich o mniejszej powierzchni.

Zestaw 2 (powierzchnia kolektorów 4 m2) charakteryzował się niewielkim spadkiem efektywności pozyskiwania energii cieplnej względem instalacji 1. W okresie czterech ciepłych miesięcy maj – sierpień, występowały i tak znaczne nadwyżki energii, której kolektory (instalacja 1) już nie przejmowały, ponieważ cały zbiornik (300 l) został podgrzany (w 4 do 5 godzin).

Cena kompletnego zestawu 2, na dzień 6 listopada 2006 roku, wynosi C = 12 000 zł. Po odjęciu CP-120 = 3890 zł (cena podgrzewacza jednowężownicowego o pojemności 120 l tej samej firmy) cena końcowa rozbudowy systemu podgrzewania ciepłej wody (bez kosztów montażu) w budynku o instalację kolektorów słonecznych wyniesie CK = 8110 zł.

Oprócz poniesionych kosztów zakupu instalacji (CK), po stronie wydatków na inwestycje dochodzą koszty związane z jej montażem. Montaż kompletnej instalacji zajmuje wyspecjalizowanej firmie mniej więcej koło 8 godzin (dwóch pracowników). Koszt montażu instalacji z dodatkowymi materiałami (KM) na stanowisku badawczym wyniósł KM = 650 zł.

Na końcowy koszt inwestycji (KI) składają się cena końcowa (CK) i koszty montażu (KM). W przypadku zestawu 1 koszt końcowy wyniósł KI = 11 560 zł, natomiast koszt końcowy zestawu 2 wyniósł KI = 8760 zł.

KI = CK + KM (3)

Podczas pracy instalacji występują koszty związane z normalną eksploatacją systemu (KE). Do kosztów eksploatacji (KE) zaliczono koszty (KC) związane z potrzebą wymiany cieczy transportującej energię cieplną w układzie kolektory – podgrzewacz i koszty (KP) związane z poborem energii elektrycznej przez pompę obiegu solarnego. Dwadzieścia pięć litrów specjalnego niezamarzającego płynu kosztuje 495 zł. Ponieważ wymiana płynu odbywa się co sześć lat, roczny średni koszt wymiany płynu w instalacji wyniesie KC = 82,5 zł/rok. Pompa układu słonecznego na stanowisku badawczym pracowała średnio w ciągu czterech lat 1446 h/rok. Natomiast pobór energii elektrycznej przez pompę wynosił 0,065 kW/h. Po przemnożeniu czasu pracy pompy (1446 h/rok) przez moc pompy (0,065 kW/h) i cenę jednej kWh energii elektrycznej (0,37 zł/kWh) otrzymano roczny koszt pracy pompy (KP).

Koszty związane z poborem energii elektrycznej przez pompę wyniosły KP = 34,8 zł/rok, a średni roczny koszt eksploatacji instalacji kolektorów słonecznych KE = 117,3 zł/rok.

KE = KC + KP (4)

Końcowym wynikiem obliczenia czasu zwrotu (TZ) poniesionych nakładów na inwestycję jest podstawienie otrzymanych wcześniej kosztów inwestycji (KI), kosztów eksploatacji (KE) i zysku (Z) z certyfikat-energetyczny.pl" target="_blank">oszczędności energii konwencjonalnej do następującego wzoru:

T_z=K₁/(Z-K_E) (5)

Otrzymany zysk (Z) będzie zaoszczędzeniem energii konwencjonalnej, którą w przypadku braku instalacji słonecznej należałoby zużyć do podgrzania wody użytkowej. Z przeprowadzonych badań wynika, że średnio w ciągu czterech lat zaoszczędzono EŚR = 9,419 GJ rocznie energii cieplnej. W zależności od zastępowanego nośnika energii konwencjonalnej przez energię słoneczną, otrzymany zysk (Z) będzie się różnił. Zysk (Z) otrzymamy po przemnożeniu ilości zaoszczędzonej energii (EŚR) przez koszty nośnika energii (KN).

Z = EŚR * KN (6)

Po wstawieniu do powyższego wzoru kosztów dla różnych nośników energii – KN (tab. 1) otrzymano roczne oszczędności w zł (bez uwzględnienia kosztów eksploatacji) kosztów, jakie wiązałyby się z wykorzystaniem energii konwencjonalnej (tab. 3). Mając określone koszty inwestycji (KI), zysk (Z) dla różnych nośników energii konwencjonalnej oraz koszty eksploatacji (KE) można przystąpić do obliczenia czasu zwrotu (TZ) poniesionych kosztów inwestycyjnych (KI). Wykorzystując wzór 5 przedstawiono czas zwrotu inwestycji (TZ) w tabeli 4, przy zastąpieniu różnych nośników energii konwencjonalnej.

Tabela 3 Zysk otrzymany w wyniku zaoszczędzenia różnych nośników energii konwencjonalnej dla okresu rocznego

Tabela 4 Czas zwrot inwestycji (TZ) przy zastąpieniu różnych nośników energii konwencjonalnej w latach

Żywotność instalacji słonecznych, które zostały wykonane z materiałów dobrej klasy, zakłada się mniej więcej na 25 lat. Jak wynika z tabeli 4 nie opłaca się, z ekonomicznego punktu widzenia, montować instalacji słonecznych w budynkach, gdzie do podgrzewania wody użytkowej wykorzystywane są następujące nośniki energii: węgiel kamienny, gaz ziemny i ciepło sieciowe. Koszty zwrotu nakładów inwestycyjnych nastąpią dopiero po 25 latach, czyli po czasie żywotności eksploatacyjnej układu.

W niektórych krajach Unii Europejskiej tego typu inwestycje, które chronią środowisko naturalne, są dofinansowywane. W przypadku dofinansowania, cena zakupu instalacji słonecznej dla potencjalnego inwestora jest niższa. Okres zwrotu poniesionych kosztów na inwestycję maleje proporcjonalnie do wielkości dofinansowania. W przypadku dopłat do inwestycji ekologicznej, jaką jest zastosowanie instalacji słonecznej, może się okazać, że przedsięwzięcie jest opłacalne w budynkach, gdzie wykorzystywane są następujące nośniki energii konwencjonalnej: ciepło sieciowe i gaz ziemny. W przypadku wykorzystywania węgla kamiennego do podgrzewania wody użytkowej, nawet przy 50% dofinansowaniu inwestycja będzie nieopłacalna.

Analizując opłacalność ekonomiczną zastosowania instalacji słonecznych można także określić koszt jednostkowy energii (KJ) przy wykorzystaniu następującego wzoru [6]:

K_j=((K_i*a)+(E_d*K_n))/E_SR

gdzie:

KI – koszty inwestycji, czyli cena instalacji słonecznej (CK) i koszty montażu tej instalacji (KM),

a – rata rozszerzonej reprodukcji, która składa się z:

– amortyzacji 4% (okres żywotności instalacji zakładamy na 25 lat – 100%/25 = 4%),

– oprocentowania 0% przy założeniu, że inwestor zakupił instalację ze środków własnych (w przypadku, gdy zosta- ła zaciągnięta pożyczka na zakup instalacji, to wtedy przyjmujemy roczne oprocentowanie tej pożyczki),

– wymiany płynu w układzie kolektory-podgrzewacz (dla zestawu 1 wskaźnik ten wynosi 0,76%, natomiast dla zestawu 2 1,02%),

Ed – energia elektryczna dostarczona z zewnątrz do napędu pompy obiegu kolektory-podgrzewacz w okresie rocznym (93,99 kWh/rok),

Kn – cena energii elektrycznej na dzień 6 listopada 2006 r. – 0,37 zł/kWh,

E_ŚR – roczna podaż energii z kolektorów słonecznych – 9,419 GJ = 2616,39 kWh.

Po wstawieniu do wzoru danych, koszt jednostkowy (KJ) wytworzenia 1 kWh energii dla instalacji 1 wyniesie 0,224 zł/kWh, natomiast dla instalacji 2 będzie to 0,181 zł/kWh.

Podsumowanie

Wykorzystując instalację słoneczną w typowym budynku mieszkalnym (jednorodzinnym), przy 100-procentowym pokryciu kosztów zakupu instalacji słonecznej, inwestycja jest opłacalna, gdy w budynku do podgrzewania wody użytkowej wykorzystywane są konwencjonalne nośniki energii, takie jak: energia elektryczna, gaz płynny (propan) i olej opałowy. Oprócz opłacalności ekonomicznej instalacja przyczyniałaby się do ochrony naturalnych zasobów paliw kopalnych i ochrony środowiska.

LITERATURA

[1] Bryś K.: Rola czynnika radiacyjnego w ewapotranspiracji. Praca doktorska, IKiOŚ AR, Wrocław 1997

[2] Ciechanowicz W.: Energia, środowisko i ekonomia. Instytut Badań Systemowych PAN, Warszawa 1997

[3] Kucowski J., Laudyn D., Przekwas M.: Energetyka a ochrona Środowiska. Wyd. 4, Warszawa, WNT 1997

[4] Rubik M.: Trujące spaliny. Magazyn instalatora nr 1 (17), Warszawa 2000

[5] Schmuck A.: Regiony pluwiotermiczne. Zarys rejonizacji przyrodniczo-rolniczej w województwie wrocławskim. WRiL, Wrocław 1959

[6] Wiśniewski G.: Kolektory Słoneczne. Centralny ośrodek informacji budownictwa, Warszawa 1992

e-energetyka.pl

strona 669 wrzesień 2007

Opłacalność ekonomiczna zastosowania instalacji kolektorów słonecznych