Ogólna charakterystyka systemów przygotowania c.w.u. w Polsce

Aby ocenić realne możliwości zastosowania pomp ciepła i zastąpienia nimi tradycyjnych źródeł ciepła, w których spalane są głównie paliwa stałe, należy scharakteryzować strukturę i potencjał tych źródeł.

 Autorzy artykułu: Marian Rubik, Jacek Hendiger, Piotr Ziętek*

* dr inż. Marian Rubik, dr inż. Jacek Hendiger, dr inż. Piotr Ziętek, Politechnika Warszawska

W kotłach grzewczych spalany jest najczęściej węgiel zaliczany do sortymentu orzech i kostka. Te sortymenty węgla używa po jednej trzeciej właścicieli budynków jednorodzinnych ogrzewanych kotłami i piecami węglowymi. Dalsze 19% wykorzystuje eko-groszek, a 14% miał węglowy. W przypadku sortymentu wykorzystywanego węgla nie występują istotne różnice między miastem a wsią, choć w badaniach mieszkańcy miast deklarują nieco większe spalanie eko-groszku. W kotłach i piecach wykorzystuje się również drewno. Ponad 80% właścicieli budynków wyposażonych w węglowe źródła stosuje współspalanie drewna i węgla. Nieco częściej sytuacja taka występuje na terenach wiejskich, gdzie współspalanie węgla i drewna stosowane jest w ok.90% kotłów węglowych.

Przestarzała konstrukcja i zły stan techniczny „wiekowych” kotłów grzewczych i podgrzewaczy ciepłej wody opalanych paliwami stałymi oraz niskie kominy – to główne przyczyny złej jakości powietrza zewnętrznego w Polsce. Jest oczywiste, że zamiana energii chemicznej paliwa w ciepło w wyniku utleniania palnych pierwiastków wchodzących w skład paliw generuje, oprócz dwutlenku węgla (CO₂₎, który jest głównym gazem cieplarnianym, wiele innych szkodliwych i toksycznych substancji  stanowiących produkty niezupełnego i niecałkowitego spalania  wprowadzane do środowiska.

Wielkość i rodzaj emitowanych zanieczyszczeń zależy nie tylko od rodzaju i jakości paliwa, ale przede wszystkim od technologii i techniki procesu spalania. Skutkiem niewłaściwego spalania gazu ziemnego lub oleju opałowego jest emisja produktów niezupełnego i niecałkowitego spalania (sadza, WWA, LZO), a także emisja tlenku węgla, tlenków azotu i siarki. Podobna sytuacja występuje w przypadku spalania biomasy, jednego z głównych źródeł energii odnawialnej (OZE) w Polsce. Do wyżej wymienionych zanieczyszczeń dochodzi znaczna emisja pyłu, która jest wyższa niż przy spalaniu węgla, w odniesieniu  do jednostki uzyskanego ciepła. Biomasa zaliczana jest do paliw odnawialnych przy założeniu, że emitowana ilość CO₂ podczas jej spalania jest równoważna ilości CO₂ pochłoniętej z powietrza podczas jej wzrostu.

W Polsce w 2013 r. udział emisji zanieczyszczeń z sektora komunalno-bytowego w całkowitej rocznej emisji CO, TSP, PM10, PM2,5, WWA i PCDD/PCDF_s wynosił odpowiednio: 64,1%; 40,1%; 50,0%; 50,8%; 87,1% i 67,7%. Udział tego sektora w całkowitej krajowej emisji w/w zanieczyszczeń nie ulega znaczącej zmianie od wielu lat, jest bowiem także uzależniony od długości sezonu grzewczego. W przypadku urządzeń do przygotowywania ciepłej wody zanieczyszczenia do atmosfery odprowadzone są przez cały rok.

Należy w tym miejscu podkreślić, że technologia wytwarzania ciepła na potrzeby ogrzewania i przygotowania ciepłej wody wykorzystująca procesy spalania jest wprawdzie prosta w realizacji i pozornie tania, lecz jest ona niekorzystna pod względem energetycznym i ekologicznym. W procesie spalania uzyskuje się bowiem ciepło o stosunkowo wysokiej temperaturze (> 1000⁰C), które w wymiennikach ciepła, w kotle lub w podgrzewaczu wody transformowane jest na niski poziom temperatury (<70⁰C). Umożliwia to wprawdzie miniaturyzację wymienników ciepła, lecz zgodnie z zasadą termodynamiki, ciepło o wysokiej temperaturze powinno być przede wszystkim wykorzystane w procesie wytwarzania energii mechanicznej lub elektrycznej, a ciepło odpadowe występujące w tym procesie należy wykorzystać na potrzeby sektora komunalno-bytowego (kogeneracja lub trójgeneracja).

Najlepiej sytuację tę podsumował dr R. Jacobs, koordynator European Heat Pumps Summit „Ogrzewanie przez spalanie jest równie stare jak ludzkość. W najbliższych latach prawdopodobnie zacznie być traktowane jak relikt przeszłości. Paliwa pierwotne są zbyt cenne, żeby używać ich do spalania tylko po to, aby podgrzać pomieszczenie do 20⁰C” [21].

Według danych GUS (2014 r.) do przygotowania ciepłej wody użytkowej w Polsce najczęściej stosowany był gaz ziemny – 27,3% ogólnej liczby gospodarstw domowych, ciepło systemowe (sieciowe) – 26,9%, energia elektryczna – 23,6% oraz paliwa stałe – 17,3% gospodarstw. 

Emisja gazowych produktów spalania z różnych urządzeń do podgrzewania wody, a w tym i pomp ciepła, może być określona na podstawie rys.1 i 2.

Obecnie w Polsce coraz częściej do przygotowania ciepłej wody wykorzystuje się  podgrzewacze elektryczne: przepływowe lub pojemnościowe. Mimo że koszt podgrzania wody w tych urządzeniach jest znacznie wyższy niż w podgrzewaczach gazowych i za pomocą ciepła systemowego, to są one chętnie stosowane ze względu na bezpieczeństwo, prosty montaż i łatwą eksploatację.
Porównanie różnych systemów przygotowania ciepłej wody wymaga przyjęcia referencyjnej wielkości instalacji i odniesienia do niej kosztów eksploatacji, oddziaływania na środowisko oraz bezpieczeństwa eksploatacji.

Wymienione w tytule artykułu aspekty stosowania elektrycznych pomp ciepła, które mogą zastąpić konwencjonalne podgrzewacze wody, mają kolejność przypadkową, gdyż pomiędzy tymi aspektami zachodzą sprzężenia zwrotne i w praktyce trudno je rozpatrywać oddzielnie. Aspekty społeczne, wymienione w pierwszej kolejności, dotyczą nie tylko bezpośrednio bezpieczeństwa użytkowników urządzeń, ale również bezpieczeństwa zdrowotnego obywateli i bezpieczeństwa energetycznego państwa. W Polsce podstawą produkcji energii elektrycznej kraju jest węgiel (kamienny i brunatny), a więc krajowy surowiec energetyczny. Elektryczne pompy ciepła mogą stanowić istotny element w inteligentnych sieciach elektroenergetycznych pozwalający na zwiększenie sprawności wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej (smart grid).

W tabeli 2 podano charakterystyki systemów przygotowania ciepłej wody w zależności od profilu ich obciążenia.

POBIERZ:

Literatura do artykułów: kliknij

1. Ogólna charakterystyka systemów przygotowania c.w.u. w Polsce
2. Podgrzewacze wody z pompą ciepła – społeczne, ekologiczne i ekonomiczne aspekty stosowania