Poniższa analiza opłacalności montażu pomp cieplnych, będzie się opierać na dwóch badaniach. W pierwszym przedstawiono porównanie kosztów inwestycji i eksploatacji dwóch alternatywnych urządzeń do podgrzewu ciepłej wody użytkowej: kolektorów słonecznych i pompy ciepła (powietrze-woda). Dane oraz obliczenia wykonane zostały wg informacji prasowych Stiebel – Eltron. Drugie badanie przeprowadzone zostało przez Piotra Kęskiewicza, Beatę Śniechowską i Jana Danielewicza z Wydziału Inżynierii Środowiska Instytutu Klimatyzacji i Ogrzewnictwa Politechniki Wrocławskiej. Badanie dotyczyło najczęściej wykorzystywanych w Polsce systemów zaopatrzenia w ciepło budynków mieszkalnych, przy czym podstawą badań był typowy budynek jednorodzinny.

Badanie nr. 1.

Kolektory słoneczne są bardzo popularnym źródłem energii służącym przygotowaniu ciepłej wody użytkowej. Duży wpływ mają na to liczne dofinansowania, które zostają udzielane inwestorom. Istnieje także, inne źródło ciepła, zdecydowanie mniej popularne i rzadziej stosowane. Jest nim pompa ciepła typu powietrze-woda, która nie pełni funkcji ogrzewania budynku.

Analiza ekonomiczna inwestycji dla 5-cio osobowej rodziny.

Założenia:

  • Powierzchnia budynku: 156m2;
  • Zapotrzebowanie c.w.u. 315l/dobę;
  • Temperatura utrzymywana: 53-55º C;
  • Okres eksploatacji poddany analizie: 5 lat.

Elementy systemu kolektorów słonecznych:

  • Dwie płyty kolektora o powierzchni czynnej absorbera 2,4m2;
  • Zasobnik ciepłej wody użytkowej o poj. 300l z wysokowydajną wężownicą w specjalnej izolacji termicznej niwelującej emisję;
  • Wysokowydajna, elektroniczna pompa obiegu solarnego, odporna na wysoką temperaturę, z modulacją prędkości obrotowej;
  • Mikroprocesorowy sterownika instalacji jako automatyka sterująca procesem oddawania ciepła. Wyposażony w dwa czujniki temperatury i system alarmujący użytkownika o przekroczeniu temperatury maksymalnej;
  • Pozostałe elementy instalacji;
  • Montaż kolektorów słonecznych wraz z uruchomieniem.

Elementy systemu pompy ciepła:

  • Zabudowana sprężarka z wymiennikiem ciepła, zaworem rozprężnym oraz zasobnikiem ciepłej wody użytkowej o poj. 285l;
  • Automatyka sterująca;
  • Pozostałe elementy instalacji;
  • Montaż pompy ciepła wraz z uruchomieniem.

W tabeli nr. 14 Przedstawiono koszty zakupu i eksploatacji dla omawianych urządzeń.

Tabela 14 Koszt zakupu i eksploatacji.

Typ systemu Kolektor słoneczny Pompa ciepła
Koszt urządzenia: 13 250 zł 10 500 zł
Koszt instalacji: 2 150 zł 860 zł
Serwis (okres 5 lat): 750 zł 500 zł
Koszt eksploatacji: 3 550 zł 4 860 zł
Montaż: 1 500 zł 600 zł
Łącznie: 21 200 zł 17 320 zł

Źródło: Źródło: Informacje prasowe Stiebel – Eltron

http://www.technologiepc.pl/PCvsKS.php, data odczytu: 12.06.2017 r.

W analizie przyjęto eksploatację ciepłej wody używkowej przez 365 dni w roku. Ilość zużywanej wody wynosiła 280 – 315 l/dobę. W okresie zimowym, niedobór energii z produkcji kolektorów słonecznych, został uzupełniony przez kondensacyjny kocioł gazowy. Koszty zużycia gazu zostały uwzględnione w pozycji: koszt eksploatacji. Pompa ciepła, przez cały okres, funkcjonowała indywidualnie.

Całkowite koszty inwestycji oraz 5-cio letniej eksploatacji zostały przedstawione na rysunku nr. 18.

Rysunek 18 Całkowity koszt inwestycji i eksploatacji.

Źródło: Opracowanie własne na podstawie informacji prasowych Stiebel – Eltron,

http://www.technologiepc.pl/PCvsKS.php, data odczytu: 12.06.2017 r.

Chwilowe koszty produkcji ciepłej wody użytkowej są nieznacznie niższe w przypadku kolektorów słonecznych. Należy jednak pamiętać, że system ten jest wydajny, tylko w określonych warunkach tj. przy dużym nasłonecznieniu oraz wysokiej temperaturze otoczenia. Biorąca pod uwagę bardziej rzetelną i wartościową analizę całoroczną (średnie zużycie 280-315l/dobę) bardziej atrakcyjnym rozwiązaniem, pod względem ekonomicznym, jest pompa ciepła. Oprócz czysto finansowych korzyści pozwala ona także, na pominięcie dodatkowych źródeł energii, ponieważ urządzenie to wytwarza energię w sposób ciągły przez 365 dni w roku. Zmienia się jedynie współczynnik COP (przy wyższych temperaturach zewnętrznych – wyższa sprawność, przy niskich temperaturach zewnętrznych – niska sprawność i wyższe zużycie energii elektrycznej). W przypadku montażu kolektorów słonecznych, należy mieć na uwadze problem magazynowania nadwyżki energii w okresie dużego nasłonecznienia lub podczas urlopu.
Analizując powyższe badanie, można stwierdzić, że w przypadku inwestycji i eksploatacji 5-cio letniej, zdecydowanie bardziej opłacalny staje się montaż kolektorów słonecznych. Biorąc pod uwagę sam koszt eksploatacji, tańszym systemem jest system solarny. Całkowite koszty inwestycji i eksploatacji są natomiast zdecydowanie niższe o ok. 20% w przypadku drugiego urządzenia. Pompa ciepła jest również bardziej komfortowym rozwiązaniem dla użytkowników. Podczas całego okresu działania, pozostaje bezobsługowa.

Badanie nr. 2.

Poddanym elementem analizy jest budynek o powierzchni ogrzewanej 160m2. Instalacja rozprowadzania ciepła składała się grzejników stalowo-płytowych ze stalowym radiatorem oraz instalacji ogrzewania podłogowego niskotemperaturowego. Temperatura dzienna utrzymywana w budynku oscylowała w przedziale 20,5 – 21 stopni Celsjusza natomiast nocna 19 stopni. Temperatura zasilania obiegu bezpośredniego (grzejnikowego) wynosiła 55/40 stopni Celsjusza. Temperatura zasilania obiegu pośredniego (ogrzewania podłogowego) wynosiła 30/24 stopnie Celsjusza. Dodatkowo, realizowano podgrzew ciepłej wody użytkowej do temperatury 55 stopni Celsjusza, z której korzystała rodzina 4 osobowa. Dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę wyniosło 312 litrów.

W ramach kosztów uwzględniono:

  • rodzaj źródła ciepła;
  • średnią sezonową sprawność całkowitą systemu grzewczego;
  • średnią sezonową sprawność całkowitą układu przygotowania C.W.U.

Na rysunku 19 przedstawiono jednostkowy koszt ciepła realizowany przez kilka typów urządzeń poddanych analizie. Wyniki przedstawiają koszt wytworzenia 1 GJ energii. Do pomiarów przyjęto średnie nasłonecznienie jednego z miast Polski.

Rysunek 19. Jednostkowe koszty ciepła (c.o. + c.w.u.) dla rozpatrywanego domu jednorodzinnego.

Opis: A – pompa ciepła grunt/woda, B – kocioł na paliwo stałe (ekogroszek), C – pompa ciepła powietrze/woda, D – kocioł kondensacyjny (gaz E), E – Kocioł gazowy (gaz E), F – kocioł gazowy (propan), G – węzeł cieplny, H – kocioł olejowy, I – kocioł elektryczny.

Źródło: Kęskiewicz P., Śniechowska B, Danielewicz J., Pompy ciepła na tle innych źródeł energii w aspekcie całkowitej efektywności ekonomicznej uwzględniającej szacowane koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne, „INSTAL” nr 2, rok 2012, s. 27

Analizy obejmowały jedynie koszty eksploatacyjne systemów, które były rozpatrywane. W czasie oceny nie uwzględniono więc:

  • nakładów inwestycyjnych;
  • wpływu czasu na wyniki analiz.

W ramach badań autorzy wyszli z założenia, że najkorzystniejszy jest wariant o najniższych stałych rocznych wydatkach. W obliczeniach zastosowano metodę dyskontową w wariancie annuitetowej analizy opłacalności inwestycji. Należy zauważyć, że jej zastosowanie pozwala na przeliczenie uzyskanej wartości bieżącej na roczny koszt dostawy ciepła CF zgodnie ze wzorem:

gdzie:

PV – zaktualizowana wartość wszystkich strumieni pieniężnych w okresie eksploatacji (koszty inwestycyjne i eksploatacyjne);

An – współczynnik łącznego dyskonta dla n lat eksploatacji instalacji.

 

gdzie: i – stopa dyskonta

Analizowanym obiektem był budynek jednorodzinny o powierzchni użytkowej 150 m2, który został wykonany zgodnie z obowiązującymi wymaganiami w zakresie ochrony cieplnej budynków zawartych w przepisach polskiego prawa. W pomieszczeniach założono również zastosowanie niskotemperaturowego ogrzewania płaszczyznowego. Wybór tego rodzaju instalacji został wykonany z uwagi na możliwość współpracy ze wszystkimi równoważnymi źródłami ciepła, a także ze względu na stale rosnącą popularność ogrzewania podłogowego w budownictwie jednorodzinnym. Koszt instalacji wewnętrznej w budynku założono w granicach 20 000 zł. Pozostałe koszty zostały zestawione w tabeli 15.

Kocioł z paleniskiem retortowym (ekogroszek) – jest to urządzenie cechujące się jednym z najniższych kosztów ogrzewania budynku w skali roku. Minusem montażu tego urządzenia jest pracochłonność. Użytkownik powinien systematycznie uzupełniać paliwo w zbiorniku. Należy także pamiętać o potrzebie utrzymania w bardzo dobrym stanie przewodu kominowego oraz zapewnieniu odpowiedniego ciągu kominowego. Pomieszczenie, w którym montowany jest kocioł, powinno być wyposażone w wentylację o wydajności min. 50m3/h. Zimny, mroźny klimat nie wpływa na ogólną sprawność urządzenia. Z racji wysokiej temperatury zasilania, może współpracować z instalacją grzejnikową a także instalacją ogrzewania podłogowego z zaworem mieszającym. Jest to ekonomiczne rozwiązanie dla budynków nie posiadających przyłącza gazowego a także alternatywa dla pomp ciepła biorąc pod uwagę koszty eksploatacji.

Tabela 15. Zestawienie całkowitych kosztów inwestycyjnych, eksploatacyjnych i okresów wymiany urządzeń dla poszczególnych systemów grzewczych (c.o. + c.w.u.) przeznaczonych dla rozpatrywanego budynku jednorodzinnego.

 

Źródło: Kęskiewicz P., Śniechowska B., Danielewicz J., Pompy ciepła na tle innych źródeł energii w aspekcie całkowitej efektywności ekonomicznej uwzględniającej szacowane koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne, „INSTAL” nr 2, rok 2012, s. 29

Kocioł kondensacyjny (gaz E) – urządzenie bardzo popularne w przypadków standardowych rozwiązań instalacji C.O. w domach jednorodzinnych budowanych po 2010 roku. Z przeprowadzonej analizy wynika, że jest drugim najtańszym eksploatacyjnie (po gruntowej pompie ciepła) źródłem energii. Dzięki kondensacji spalin, kocioł ten jest o ok. 10% sprawniejszy od kotła atmosferycznego. Dodatkowym atutem wynikającym z montażu tego urządzenia jest bezobsługowość oraz możliwość zdalnej kontroli. Miejsce montażu ogranicza jedynie komin spalinowy a także wentylacja na poziomie min. 20m3/h. Z uwagi na maksymalną temperaturę spalin na poziomie 55 stopni Celsjusza zaleca się instalację grzejników niskotemperaturowych stalowo-płytowych lub ogrzewanie podłogowe.

Kocioł gazowy (gaz E) z otwartą komorą spalania – urządzenie to cechuje się niskimi kosztami montażu a także kosztami eksploatacji na umiarkowanym poziomie. W przypadku montażu powyższego kotła, należy pamiętać o zapewnieniu odpowiedniej ilość powietrza dolotowego do procesu spalania. Powietrze to pobierane jest z pomieszczenia w którym znajduje się urządzenie. Minimalna kubatura pomieszczenia powinna wynosić 20m3. Podobnie jak inne kotły gazowe, jest produktem bezobsługowym z możliwością zdalnej kontroli. Temperatura zasilania do 82 stopni Celsjusza pozwala na montaż we wszystkich typach instalacji zarówno grzejnikowych jak i ogrzewania podłogowego z pod mieszaniem.

Kocioł olejowy z zamkniętą komorą spalania – jako źródło ciepła jest jednym z najdroższych i najmniej opłacalnych urządzeń, które zostały poddane analizie. Dodatkowym minusem tego rozwiązania jest potrzeba przygotowania specjalnego przewodu spalinowego, a także składowania oleju napędowego w dużych ilościach. Do magazynowania stosuję się specjalne plastikowe zbiorniki na paliwo. Zbiorniki zostają napełnione przed sezonem grzewczym, a użytkownik narażony jest na jednorazową opłatę za dostawę. Z uwagi na wysoką temperaturę zasilania, źródło to nadaje się do podłączenia z każdym typem instalacji.

Kocioł gazowy (gaz propan) z otwartą komorą spalania – jest to alternatywa dla kotła olejowego, pompy ciepła lub kotła na paliwa stałe. Koszt montażu a także eksploatacji pozostaje na poziomie umiarkowanym, w naszej analizie jest to jednak jeden z mniej ekonomicznych urządzeń C.O. Koszt ogrzewania jest dwukrotnie wyższy w porównaniu do gruntowej pompy ciepła, a także o ok. 30-40% wyższy od kotła gazowego kondensacyjnego. Dodatkowym minusem jest potrzeba magazynowania gazu ziemnego w specjalistycznych butlach gazowych. Jest to urządzenie stosowane najczęściej w miejscach, w których nie jest dostępne przyłącze sieciowe gazu. Zaleca się podłączenie z instalacją grzejnikową lub ogrzewaniem podłogowym.

Kompaktowy węzeł cieplny – jest to rozwiązanie bardzo rzadko stosowane w budownictwie jednorodzinnym, w związku z ograniczeniami przyłącza. Węzły cieplne występują jedynie w dużych miastach i tylko tam jest możliwość jego wykorzystania. Dodatkowo taka instalacja musi zostać wyposażona w bardzo drogi wymiennik ciepła a także inne urządzenia regulujące jak np. reduktory ciśnienia.

Kocioł elektryczny – jest urządzeniem najtańszym w zakupie i montażu, jednak najdroższym biorąc pod uwagę koszty ogrzewania. Wariant ten, wykorzystywany jest głównie w małych mieszkaniach oraz domkach letniskowych. Zaletą tego urządzenia jest brak konieczności przygotowania przewodu spalinowego czy instalacji gazu. Do prawidłowego funkcjonowania potrzebny jest jedynie prąd elektryczny. Jest urządzeniem bezobsługowym z możliwością zdalnej kontroli. Zaleca się montaż z instalacją grzejnikową o małej pojemności wodnej.

Pompa ciepła powietrze woda – jest coraz bardziej popularnym urządzeniem stosowanym w budownictwie jednorodzinnym, w szczególności w miejscach w których nie ma instalacji gazu. Koszty montażu tego urządzenia są wysokie, jednak koszty ogrzewania są stosunkowo niskie – co odwzorowują wyniki przeprowadzonej analizy. Produkt nie potrzebuje przewodów spalinowych a jedynie napięcie elektryczne do pracy sprężarki i sterowania. Dodatkowym atutem, oprócz bezobsługowości, jest możliwość wykorzystania pompy ciepła do celów chłodzenia budynku poprzez instalację płaszczyznową lub klima konwektory. Z uwagi na duży wpływ temperatury zewnętrznej na ogólną sprawność, zaleca się jej montaż w umiarkowanym i łagodnym mikroklimacie. Niska temperatura zasilania umożliwia efektywną współpracę z instalacją ogrzewania podłogowego (bezpośrednio)

Gruntowa pompa ciepła – jest to zdecydowanie najbardziej ekonomiczne rozwiązanie dla ogrzewania budynku. Bardzo wysoki koszt montażu powoduje powolny wzrost ilości montażu tych urządzeń. Dla urządzenia należy przygotować gruntowe odwierty z sondami, które pobierają ciepło z wnętrza ziemi. Dodatkowy montaż modułu chłodzenia, umożliwia wykorzystanie pompy ciepła do celów klimatyzowania budynku. Chłodzenie może być realizowane płaszczyznowo lub przez Klima konwektory. Gruntowa pompa ciepła charakteryzuje się wysoką sprawnością bez względu na temperaturę zewnętrzną. Natomiast bardzo duży wpływ na efektywność pracy pompy ciepła ma charakter przewodzenia ciepła gruntu w którym wykonano odwierty a także jego możliwość regeneracji. Urządzenie przewidywane jest dla instalacji niskotemperaturowych grzejników z radiatorami lub ogrzewaniem podłogowym.

Z przeprowadzonych analiz wynika, że pompy ciepła należy zaliczyć od urządzeń, które pod względem ekonomicznej opłacalności inwestycji przewyższają rozwiązania zasilane:

  • propanem;
  • olejem napędowym;
  • energią elektryczną.

Mogą również konkurować z instalacjami, które są wyposażone w kotły gazowe (gaz E)1.

Podkreślić przy tym trzeba, że ze wszystkich analizowanych systemów, pompy ciepła wykazywały najniższe jednostkowe koszty eksploatacyjne. Warto również zauważyć, że wysokie koszty inwestycyjne mogą doprowadzić do tego, że źródła te nie będą konkurencyjne w porównaniu do kotłów:

  • zasilanych gazem ziemnym;
  • zasilanych ekogroszkiem.

Na rysunku 20 zaprezentowano zestawienie wyników uśrednionych kosztów wytworzenia 1 GJ ciepła biorąc pod uwagę koszt C.O. + C.W.U.

Ibidem.

Rysunek 20. Zestawienie wyników uśrednionych kosztów wytworzenia 1 GJ ciepła ze zdyskontowanymi kosztami wytworzenia 1 GJ ciepła (c.o. + c.w.u.) w zależności od nośnika energii i rodzaju instalacji grzewczej dla rozpatrywanego budynku jednorodzinnego

Opis: A − pompa ciepła grunt/woda, B − kocioł na paliwo stałe (ekogroszek), C − pompa ciepła powietrze/woda, D − kocioł kondensacyjny (gaz E), E − kocioł gazowy (gaz E), F − kocioł gazowy (propan), G − węzeł cieplny, H − kocioł olejowy, I − kocioł elektryczny.

Źródło: Kęskiewicz P., Śniechowska B., Danielewicz J., Pompy …, op.cit., , s. 29