Predavanje: ISPLATIVOST PRIMJENE SOLARNIH TOPLINSKIH SUSTAVA 2. DIO Predavač: Prof.dr.sc. Igor BALEN, Fakultet strojarstva i brodogradnje

Transcript

1 Predavanje: ISPLATIVOST PRIMJENE SOLARNIH TOPLINSKIH SUSTAVA 2. DIO Predavač: Prof.dr.sc. Igor BALEN, Fakultet strojarstva i brodogradnje UVOD Održivi razvoj modernog društva uvjetovan je racionalnim gospodarenjem energijom i očuvanjem prirodnog okoliša. Mjere koje se za ostvarivanje tog cilja danas koriste sežu od zamjene fosilnih goriva s obnovljivim izvorima energije do novih tehničkih rješenja što omogućuju porast životnog standarda (komfora) koji nije nužno povezan s jednakim porastom utroška energije. Statistike potrošnje energije pokazuju kako se preko 40% ukupne energije troši u zgradama. Od toga se u stambenim zgradama, ovisno o klimatskim prilikama nekog geografskog područja, najveći dio energije troši za grijanje (do 80%), a manji za pripremu potrošne tople vode i kuhanje, hlañenje i rasvjetu, te za pogon raznih električnih ureñaja. Smanjenjem utjecaja vanjskog okoliša na ugodnost boravišnog prostora zgrade može se postići značajno smanjenje utroška energije. Toplinski sustavi sa solarnim kolektorima danas se uglavnom koriste za potrebe grijanja prostora i pripremu potrošne tople vode. Hrvatska ima dobre preduvjete za primjenu te tehnologije s obzirom na svoj geografski položaj i ukupnu sunčanu ozračenost. Rezultati provedene analize pokazuju mogućnosti primjene solarnih toplinskih sustava za obiteljske kuće (male korisnike), u odnosu na troškove opremanja takvim sustavom i ostvarene uštede u potrošnji energije. Za potrebe analize isplativosti solarnih sustava grijanja i pripreme PTV odabran je aktivni sustav s prisilnom cirkulacijom ogrjevnog medija (vode). Aktivni sustavi sastoje se općenito od slijedećih komponenti: - sunčani kolektori - akumulacijski spremnik s izmjenjivačem topline - cjevovod - cirkulacijska pumpa - ekspanzijski sustav - pripadajuća armatura - regulacijsko upravljački elementi. Najčešća primjena aktivnih sustava je za zagrijavanje potrošne tople vode (dalje u tekstu: PTV), prije svega stoga što potreba za PTV postoji tijekom čitave godine. Korištenje sunčeve energije za grijanje prostorija obično je manje učinkovito, jer je potreba za grijanjem najveća upravo zimi, kada je intenzitet sunčevog zračenja najslabiji, a toplinski gubici solarnog sustava najveći. PRORAČUNSKI MODEL Proračun procjene godišnje potrebne toplinske energije za pripremu potrošne tople vode proveden je prema procijenjenoj dnevnoj potrošnji vode u skladu s metodologijom iz norme HRN EN :2008. Za procjenu godišnje potrebne toplinske energije za grijanje korišten je proračunski model prema normi HRN EN ISO 13790:2008. Proračuni su provedeni za stvarne klimatske podatke za dvije karakteristične geografske lokacije u Hrvatskoj, grad Zagreb (kontinentalna RH) i grad Split (primorska RH). Nakon analize sustava za obiteljsku kuću tip 150 prikazane u okviru predavanja na programu usavršavanja u veljači 2010., analiziran je model obiteljske kuće korisne površine grijanog dijela 250 m 2 (dalje u tekstu: tip 250) - kuća s dva stana (prizemlje i kat).

2 Toplinske karakteristike grañevnih dijelova za proračun uzete su prema.dozvoljenim vrijednostima iz Tehničkog propisa o racionalnoj uporabi energije i toplinskoj zaštiti u zgradama (NN 110/08), a površine prozora i vrata su odabrane na razini 15% površine vanjskih zidova, dok vanjska vrata na južnom zidu imaju površinu A d =2 m 2. Model obiteljskih kuća ima krov pod nagibom 30, orijentacije sjever-jug, a izmeñu krova i stropa grijanog dijela zgrade nalazi se negrijano potkrovlje. TABLICA 1. Model obiteljske kuće tip 250 osnovni podaci Tip zgrade (m 2 ) Korisna površina A k (m 2 ) Površina oplošja grijanog dijela A (m 2 ) Obujam grijanog dijela zgrade V e (m 3 ) Obujam grijanog zraka V (m 3 ) Faktor oblika zgrade f o = A/V e Tip ,0 520,0 750,0 570,0 0,693 Modeli solarnih sustava odabrani su tako da pokrivaju slijedeće varijante: tip PTV - priprema potrošne tople vode, tip G-PTV - grijanje zgrade i priprema potrošne tople vode. Kolektori Polaz PTV Dodatni izvor topline Spremnik PTV Hladna voda SLIKA 1. Pojednostavljena shema solarnog sustava za pripremu potrošne tople vode, tip PTV TABLICA 2. Osnovne značajke modela solarnih sustava Tip sustava Broj osoba Potrošnja tople vode temp. 55 C (lit/osobi) Broj kolektora Ukupna bruto površina kolektora A k (m 2 ) Ukupna površina apsorbera A a (m 2 ) Volumen akumulacijskog spremnika V s (lit) tip PTV ,5 6, tip G-PTV ,

3 Pločasti solarni kolektori postavljaju se na kosi krov obiteljske kuće, na južni dio prateći liniju nagiba krova (30 ). Akumulacijski spremnik tople vode, dodatni izvor topline i druga pripadajuća oprema sustava postavljaju se unutar zgrade. Kolektori Polaz PTV Polaz grijanje Dodatni izvor topline Povrat grijanje Spremnik tople vode Hladna voda SLIKA 2. Pojednostavljena shema solarnog sustava za grijanje i pripremu potrošne tople vode, tip G-PTV Radi jednostavnije usporedbe, za odabrani tip kuće, odabrane su iste osnovne značajke i dimenzije solarnog toplinskog sustava na obje geografske lokacije, Zagreb i Split. Proračun procjene godišnje toplinske energije dobivene sustavom sa solarnim kolektorima Q H,sol (kwh/a) za grijanje i pripremu potrošne tople vode proveden je, prema stvarnim klimatskim podacima, postupkom po metodi f-chart s rezultatima po mjesecima u godini. Toplinski doprinos solarnih kolektora najjednostavnije se prikazuje preko izračunatog udjela mjesečne toplinske energije dobivene solarnim sustavom u ukupnoj mjesečnoj potrebnoj toplinskoj energiji (mjesečni stupanj pokrivanja f). U mjesecima u kojima sunčani kolektori mogu predati više energije od potreba trošila, postavljena vrijednost stupnja pokrivanja je f = 1,00 (100%). a) Mjesečni stupanj pokrivanja f (udio mjesečne toplinske energije dobivene solarnim sustavom u ukupnoj mjesečnoj potrebnoj toplinskoj energiji): f = 1.029Y 0.065X Y X Y, pri čemu su bezdimenzijski koeficijenti: AC F ' R UL ( Tref Ta ) t X =, L

4 AC F ' R( τα) HT N Y =, L uz dodatnu korekciju koeficijenta X provedenu za volumen spremnika tople vode i radnu temperaturu vode u sustavu. b) Mjesečna toplinska energija dobivena sustavom sa sunčanim kolektorima Q H,sol-m : Q = f ( Q + Q ), H, sol m H, nd m W, m kwh m c) Godišnja toplinska energija dobivena sustavom sa sunčanim kolektorima Q H,sol : Q 12 H, sol = QH, sol m, k k= 1, kwh a Osnovne proračunske značajke odabranog pločastog sunčanog kolektora sa selektivnim apsorberom su slijedeće: F R U L = 3.33 W/(m 2 K) F' R / F R = 0.97 F R (τα) n = 0.77 (τα)/(τα) n = 0.96 REZULTATI PRORAČUNA Priprema potrošne tople vode Lokacija Split Potrebna energija za klimu grada Splita i solarni sustav tip PTV, uz iskorištenu toplinsku energiju dobivenu sunčanim kolektorima i višak toplinske energije u pojedinim mjesecima (za procijenjenu potrošnju PTV), prikazana je na slici 3. Ukupna potrebna energija (potrošnja) po mjesecima za pripremu PTV je zbroj bijelog (solarni kolektori) i sivog (dodatni izvor energije) polja. Višak toplinske energije (crno polje) pojavljuje se u mjesecima u kojim prikupljena toplinska energija pomoću kolektora premašuje mjesečnu potrošnju energije, što ne znači kako se u pojedinim danima u mjesecu ne može pojaviti potreba za dodatnim izvorom energije. TABLICA 3. Stupanj pokrivanja f solarnog sustava tip PTV, lokacija Split Mjesec I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. God. Stupanj pokrivanja f 51% 71% 84% 93% 100% 100% 100% 100% 100% 87% 58% 44% 82%

5 Ukupna godišnja potrebna energija za pripremu PTV iznosi kwh, od čega solarni kolektori pokrivaju kwh (82%). Ukupni višak toplinske energije pri tom iznosi kwh (3% potrebne topline) i pojavljuje se u mjesecima od svibnja do rujna. Specifični učinak kolektora pri tom iznosi na godišnjoj razini kwh/(m 2 a) Energija [kwh] Dodatni izvor Višak kolektori Iskorišteno kolektori I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. Mjesec SLIKA 3. Bilanca toplinske energije po mjesecima za solarni sustav tip PTV (Split) Lokacija Zagreb Potrebna energija za klimu grada Zagreba i solarni sustav tip PTV, uz iskorištenu toplinsku energiju dobivenu solarnim kolektorima i višak toplinske energije u pojedinim mjesecima (za procijenjenu potrošnju PTV), prikazana je na slici 4. TABLICA 4. Stupanj pokrivanja f solarnog sustava tip PTV, lokacija Zagreb Mjesec I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. God. Stupanj pokrivanja f 15% 35% 64% 82% 94% 99% 100% 95% 86% 58% 24% 6% 63% Ukupna godišnja potrebna energija za pripremu PTV iznosi kwh (isto kao za Split), od

6 čega solarni kolektori pokrivaju kwh (63%). Ukupni višak toplinske energije pri tom iznosi 12.2 kwh (0.2% potrebne topline) i pojavljuje se u mjesecu srpnju. Specifični učinak kolektora pri tom iznosi na godišnjoj razini kwh/(m 2 a) Energija [kwh] Dodatni izvor Višak kolektori Iskorišteno kolektori I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. Mjesec SLIKA 4. Bilanca toplinske energije po mjesecima za solarni sustav tip PTV (Zagreb) Usporedba i promjena površine kolektora Na temelju prikazanih rezultata potrebne energije za pripremu potrošne tople vode vidi se, kako je, uz iste dimenzije solarnog sustava i istu potrošnju PTV za analizirani model kuće, toplinski doprinos solarnog sustava značajno veći za lokaciju Split nego za lokaciju Zagreb. To je, naravno, posljedica jače sunčane ozračenosti na lokaciji Split. Ukoliko bi se željelo povećati stupanj pokrivanja nekog solarnog sustava, to bi se moglo ostvariti, uz isti volumen akumulacijskog spremnika, povećanjem površine kolektora. Meñutim, tehnički problemi u korištenju sustava koji su posljedica viška topline, kao što je pregrijavanje kolektora i moguća oštećenja sustava uslijed previsokih temperatura u periodima kada nema potrošnje tople vode, ukazuju da se takva namjera treba pažljivo tehnički proanalizirati. Na primjer, ako se na lokaciji Zagreb u sustav doda još jedan kolektor, stupanj pokrivanja povećat će se na 69%, ali će se višak toplinske energije povećati na kwh (ranije 12.2 kwh). Time se višak toplinske energije na lokaciji Zagreb u odnosu na ranije prikazane rezultate povećava za jedan red veličine (više od 10 puta). Takvo tehničko rješenje jednostavno je

7 primjenjivo samo ukoliko zgrada ima veliki toplinski spremnik u koji se bez problema može preusmjeriti višak topline, kao što je na primjer bazen. Grijanje i priprema potrošne tople vode Lokacija Split Potrebna energija za klimu grada Splita i solarni sustav tip G-PTV, uz iskorištenu toplinsku energiju dobivenu solarnim kolektorima i višak toplinske energije u ljetnim mjesecima (za procijenjenu toplinu za grijanje i PTV), prikazana je na slici 5. Ukupna potrebna energija (potrošnja) po mjesecima za grijanje i pripremu PTV je zbroj bijelog (sunčani kolektori) i sivog (dodatni izvor energije) polja. Višak toplinske energije (crno polje) pojavljuje se u mjesecima u kojim prikupljena toplinska energija pomoću kolektora premašuje mjesečnu potrošnju energije, što ne znači kako se u pojedinim danima u mjesecu ne može pojaviti potreba za dodatnim izvorom energije Energija [kwh] Dodatni izvor Višak kolektori Iskorišteno kolektori I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. Mjesec SLIKA 5. Bilanca toplinske energije po mjesecima za solarni sustav tip G-PTV (Split)

8 TABLICA 5. Stupanj pokrivanja f solarnog sustava tip G-PTV, lokacija Split Mjesec I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. God. Stupanj pokrivanja f 22% 39% 68% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 48% 20% 51% Ukupna godišnja potrebna toplinska energija za grijanje i pripremu PTV iznosi kwh, od čega sunčani kolektori pokrivaju kwh (51%). Ukupni višak toplinske energije pri tom iznosi kwh (5% ukupne potrebne topline 60% više od potrebne energije za pripremu PTV u jednom prosječnom mjesecu) i pojavljuje se u mjesecima od travnja do listopada. Specifični učinak kolektora pri tom iznosi na godišnjoj razini kwh/(m 2 a). Lokacija Zagreb Potrebna energija za klimu grada Zagreba i solarni sustav tip G-PTV, uz iskorištenu toplinsku energiju dobivenu solarnim kolektorima i višak toplinske energije u ljetnim mjesecima (za procijenjenu toplinu za grijanje i potrošnju PTV), prikazana je na slici Energija [kwh] Dodatni izvor Višak kolektori Iskorišteno kolektori I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. Mjesec SLIKA 6. Bilanca toplinske energije po mjesecima za solarni sustav tip G-PTV (Zagreb)

9 TABLICA 6. Stupanj pokrivanja f solarnog sustava tip G-PTV, lokacija Zagreb Mjesec I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI. XII. God. Stupanj pokrivanja f 3% 10% 35% 84% 100% 100% 100% 100% 100% 52% 8% 1% 22% Ukupna godišnja potrebna energija za grijanje i pripremu PTV iznosi kwh, od čega kolektori pokrivaju kwh (22%). Ukupni višak toplinske energije pri tom iznosi kwh (2% ukupne potrebne topline na razini potrebne energije za pripremu PTV u jednom mjesecu) i pojavljuje se u mjesecima od svibnja do rujna. Specifični učinak kolektora pri tom iznosi na godišnjoj razini kwh/(m 2 a). Usporedba i promjena površine kolektora Na temelju prikazanih rezultata potrebne energije za grijanje i pripremu PTV vidi se kako je, uz iste dimenzije solarnog sustava i istu potrošnju PTV za analizirani model kuće, toplinski doprinos solarnog sustava značajno veći za lokaciju Split nego za lokaciju Zagreb. Ako bi se, radi povećanja stupnja pokrivanja, na lokaciji Zagreb u sustav dodao još jedan kolektor, stupanj pokrivanja povećao bi se za 2 % - na 24%, ali bi se povećao i višak toplinske energije na kwh (ranije kwh). Mala ukupna promjena je prvenstveno posljedica slabe sunčane ozračenosti kolektora u prosincu i siječnju, mjesecima kada je potrebna energija za grijanje najveća te relativno velikog spremnika vode. Meñutim, problem pregrijavanja sustava uslijed viška topline ljeti ostaje. Ukoliko se na lokaciji Split želi smanjiti period s istaknutim viškom topline, moguće je smanjiti kapacitet sustava oduzimanjem jednog kolektora. Time bi se stupanj pokrivanja smanjio za 3% - na 48%, ali bi se višak toplinske energije smanjio na kwh (ranije kwh), što je nezanemariva promjena. Smanjenje viška toplinske energije za 17% čini smanjenje ukupne površine kolektora tehnički opravdanim ukoliko nema drugih tehničkih mogućnosti za predaju viška topline. Za oba tipa solarnih sustava na kući tip 250 u klimatskim prilikama lokacije Zagreb primjetno je poboljšanje učinkovitosti ukoliko se pločasti kolektori zamijene s kolektorima s vakuumiranim cijevima. Za sustav tip PTV, uz približno iste dimenzije solarnog sustava (nešto je manja ukupna površina apsorbera vakuum-cijevnih kolektora), toplinski doprinos sustava sa vakuum-cijevnim kolektorima je nešto veći (za 7%) u odnosu na sustav s pločastim kolektorima. Za sustav tip G- PTV, toplinski doprinos sustava sa vakuum-cijevnim kolektorima takoñer je nešto veći (za 3%) u odnosu na sustav s pločastim kolektorima. To je, naravno, posljedica poboljšanih značajki kolektora s vakuumiranim cijevima. Povećanje učinkovitosti je posebno vidljivo u najhladnijim mjesecima (prosinac i siječanj). Doduše, pri tom je povećan i višak toplinske energije ljeti. Ipak, zbog povećanja stupnja pokrivanja, korištenje kolektora s vakuumiranim cijevima može se smatrati energetski prihvatljivim rješenjem. Pitanje financijske isplativosti provjerit će se kasnije. FINANCIJSKA ISPLATIVOST Investicijski troškovi nabave i montaže za analizirane solarne sustave su: solarni sustav tip PTV za kuću tip 250 SVEUKUPNO kn (MPC, uključen PDV 23%)

10 solarni sustav tip G-PTV za kuću tip 250 SVEUKUPNO kn (MPC, uključen PDV 23%) Troškovi nabave opreme procijenjeni su analizom cijena solarnih sustava na tržištu, a montaža je procijenjena na 20% nabavne vrijednosti sustava. Analiza isplativosti solarnih sustava je provedena usporedbom sustava sa tri osnovna konvencionalna energenta (prirodni plin, EL lož ulje i električna struja) za oba karakteristična klimatska područja u Hrvatskoj. Period povrata investicije izračunat je na najjednostavniji način, kao omjer investicijskih troškova i godišnje uštede na cijeni goriva, bez uključivanja cijene kapitala, kamata, inflacije, promjene cijene konvencionalnih energenata, troškova održavanja (na razini kn godišnje) i sl. Značajke i cijena prirodnog plina (siječanj godine) su slijedeće: Ogrjevna vrijednost Hd = 9,26 kwh/m 3 Cijena goriva C = kn/m 3 Stupanj korisnosti novog kotla ηi = 0,9. Značajke i cijena EL lož ulja (siječanj godine) su slijedeće: Ogrjevna vrijednost Hd = 10,2 kwh/lit Cijena goriva C = 5.44 kn/lit Stupanj korisnosti novog kotla ηi = 0,9. Cijena električne struje (siječanj godine) je slijedeća: Cijena energenta C = kn/kwh (JT). TABLICA 7. Kuća TIP 250 Usporedba investicijskih troškova za solarni sustav (lokacija Zagreb) Tip sustava Broj kolektora Volumen akumulacijskog spremnika V s (lit) Ukupni investicijski troškovi sustava (kn) tip PTV tip G-PTV Konvencionalni energent za usporedbu Godišnja ušteda na cijeni energenta (kn/a) Period povrata investicije (god.) Prirodni plin EL lož ulje Elektr. struja Prirodni plin EL lož ulje Elektr. struja TABLICA 8. Kuća TIP 250 Usporedba investicijskih troškova za solarni sustav (lokacija Split) Tip sustava Broj kolektora Volumen akumulacijskog spremnika V s (lit) Ukupni investicijski troškovi sustava (kn) tip PTV Konvencionalni energent za usporedbu Godišnja ušteda na cijeni energenta (kn/a) Period povrata investicije (god.) Prirodni plin EL lož ulje

11 tip G-PTV Elektr. struja Prirodni plin EL lož ulje Elektr. struja Na temelju prikazanih rezultata vidi se kako su periodi povrata investicije vrlo dugi u svim analiziranim slučajevima. Najnepovoljniji slučaj je solarni sustav tip G-PTV u usporedbi s konvencionalnim sustavom s loženjem na prirodni plin u klimatskim uvjetima grada Zagreba, gdje je procijenjeni period povrata investicije oko 38 godina. U klimatskim uvjetima grada Splita periodi povrata investicije su kraći, ali niti u najpovoljnijem slučaju primjene za solarni sustav tip PTV u usporedbi s konvencionalnim sustavom s elektrootpornim zagrijavanjem, ne postiže se vrijednost ispod 10 godina. Iz prikazanih rezultata usporedbe investicijskih troškova vidljivo je kako je, u slučaju dostupnosti prirodnog plina za loženje, teško ostvariti prihvatljivu financijsku računicu za primjenu solarnog sustava grijanja, odnosno zagrijavanja PTV. U ostalim slučajevima situacija je nešto povoljnija. Interesantno, ukoliko se proračun perioda povrata investicije provede za solarne sustave opremljene vakuum-cijevnim kolektorima, periodi povrata investicije ostaju približno isti za pojedine konvencionalne energente, jer se efekt dodatne uštede energije u potpunosti poništava razlikom u nabavnoj cijeni, koja po jednom kolektoru iznosi oko 1600,00 kn više za vakuumcijevni kolektor. Period povrata investicije nešto je kraći u odnosu na manju kuću (tip 150) što ukazuje kako su specifični troškovi solarnog sustava nešto manji kod većih zgrada. ZAKLJUČAK U interesu vlasnika obiteljskih kuća je racionalno korištenje energije i zamjena konvencionalnih energenata obnovljivim izvorima energije, iz energetskih i ekoloških razloga. Energetski razlozi su smanjenje korištenja konvencionalnih energenata (prirodnog plina, EL loživog ulja, električne struje), a ekološki razlozi su povezani sa smanjenjem emisije štetnih tvari u okoliš. Nažalost, ekonomske mogućnosti većine vlasnika su prosječne, što u današnjim okvirima umanjuje vjerojatnost da će se značajan broj vlasnika kuća samoinicijativno odlučiti na investicije u sustave s obnovljivim izvorima energije, posebno ako im koristi od takvog ulaganja nisu poznate. Na temelju provedene analize za dvije karakteristične klime u Hrvatskoj (kontinentalna i primorska), dobiveni su rezultati energetske i ekonomske uštede koji slijede nakon opremanja termotehničke instalacije grijanja i pripreme PTV kuće sa solarnim sustavom, u usporedbi s konvencionalnim sustavima grijanja. Energetske bilance analiziranih solarnih sustava pokazuju kako se može pokriti veći dio potrebne godišnje toplinske energije za pripremu PTV 63 do 82% (ovisno o geografskom području) te manji dio potrebne toplinske energije za grijanje i pripremu PTV 22 % u kontinentalnoj klimi. U klimatskim prilikama primorske Hrvatske pokrivanje toplinske energije za grijanje i pripremu PTV iznosi 51%, ali je potrebna toplina za grijanje u tom slučaju značajno manja u odnosu na kuću iste geometrije izgrañenu u kontinentalnom dijelu. Kada se energetske bilance preračunaju u troškove energenata za jednu godinu te kada se ti troškovi usporede s uštedama ostvarenim korištenjem solarnih sustava, vidi se kako te uštede u apsolutnim iznosima nisu posebno velike.

12 Nakon preračunavanja energetskih ušteda u financijske uštede, osim u slučaju korištenja električne struje za grijanje, periodi povrata investicije su vrlo dugi (do čak 38 godina ovisno o energentu i tipu solarnog sustava), jer oprema solarnih sustava ima visoku nabavnu cijenu. Stoga, nije vjerojatno masovnije korištenje solarnih sustava od strane malih korisnika (kućanstva s jednim do dva stana) bez odgovarajućih poticajnih mjera od strane države.