Uporedne karakteristike razliČitih sistema grejanja sa posebnim osvrtom na upotrebu sunČeve energije za grejanje i pripremu potroŠne tople vode

Mr Ivan Tasić, dipl. inž.

Rezime:

U radu su prikazani rezultati ekonomskog vrednovanja različitih sistema za grejanje stam-benog objekta u nizu, visine P + 3 koji se nalazi u Somboru, korišćenjem dinamičke meto-de, tzv. Neto sadašnja vrednost troškova u toku radnog veka. Posmatrano je 5 slučajeva termičke izolovanosti zgrade. Za zagrevanje prostorija i pripremu potrošne tople vode, upoređeni su sledeći sistemi: klasičan sistem cerntralnog grejanja sa radijatorima; toplotna pumpa vazduh-voda; solarni sistem. Toplotne potrebe zgrade određene su prema meteoro-loškim podacima referentne godine za Sombor.

Ključne reči: ekonomsko vrednovanje; dinamička metoda; solarni sistem

COMPARATIVE CARACTERISTICS OF DIFFERENT HEATING SYSTEMS, ESPECIALLY REGARDING THE USAGE OF SOLAR ENERGY FOR THE HEATING AND PREPARATION OF CONSUMPTION WARM WATER

Summary:

This work shows the results of the economic valuation of different heating systems of the resident terraced block of flats (ground level + three stories), located in Sombor, by using the dynamic method, called "Net present value of the costs for the period of product duration". There were five cases of building thermic insulation which have been considered. The following systems for the heating of the premises and preparation of consumption water have been compared: classic central heating system with the usage of the radiators, thermical water-air pump and solar system. Thermic requirements of the building are defined according to the meteorological figures of the comparative year for the town of Sombor.

Key words: economic valuation, dynamic method, solar system

UVOD

Energetska kriza, nedostatak osnovnih izvora energije, zavisnost od uvoza i visoka cena energije navode nas da tražimo i upotrebljavamo nove izvore energije i tako smanju-jemo potrošnju dragocenih klasičnih izvora energije.

Novi izvori energije, naročito Sunčeva, nude nam mogućnost supstitucije klasičnog goriva svuda gde za to postoje uslovi (jačina Sunčevog zračenja i njegovo trajanje). Naro-čito je prikladna i ekonomski najopravdanija upotreba ove energije u niskotemperaturnim procesima, kao što je npr. priprema za potrošnju tople vode (PTV).

Srbija i Crna Gora spadaju po raspoloživim zalihama klasičnih goriva, među siromašnije zemlje, jer raspolažu sa jedva 1/6 svetskog proseka po stanovniku.

Za zadovoljenje potreba niskotemperaturnih procesa danas se kod nas još uvek najviše upotrebljavaju tečna goriva i električna energija, što nas vodi u sve veću energetsku zavisnost, čije su posledice poskupljenje i nedostatak tih izvora energije. Neracionalna potrošnja tečnih goriva i električne energije dovodi nas do pomanjkanja osnovnih izvora energije na područjima na kojima su ona mnogo potrebnija i trenutno nezamenljiva. Istraživanja u svetu su pokazala da se više od 60% celokupne potrošnje energije koristi za pokrivanje toplotnih potreba od čega pola za niskotemperaturne procese (do 100^OC). Nedostatak tečnih goriva doveo je do veće potrošnje električne energije, što za pretvaranje u toplotnu energiju nije energetski opravdano i ta njena potrošnja ima negativan društveno-ekonomski efekat.

Iz svega ovoga se vidi da je upotreba novih izvora energije u određenim uslovima i ekonomski opravdana nužnost koju ne možemo i ne smemo zanemariti.

U poslednje vreme sadržaj velikog broja radova jeste upoređenje različitih sistema za grejanje. Autori veoma često u svojim radovima različito tretiraju troškove izvođenja i način eksploatacije od sistema do sistema.

Cilj ovog istraživanja je prevashodno da je izvrši ekonomsko vrednovanje ra-zličitih sistema za grejanje stambenog objekta i pripremu tople potrošne vode pod što je moguće približnijim uslovima.

Jedna od bitnih karakteristika postrojenja za grejanje stanova je da tokom njihove eksploatacije postoje samo troškovi.

1. METOD RADA

Ekonomska evaluacija sistema je urađena korišćenjem dinamičke metode, tzv. Neto sadašnja vrednost troškova u toku radnog veka. Energetski sistemi su vrednovani u toku istog perioda. Usvojeni period analize baziran je na vremenskom periodu od 10 godina.

Polazni izraz za izračunavanje troškova glasi:

(1)

gde je:

T - neto sadašnja vrednost posedovanja i eksploatacije energetskog sistema

(troškovi) [dinara];

K - investicioni troškovi ;

O_j - troškovi održavanja i popravke u j-toj godini ;

E_k - cena konvencionalne energije za vrstu k

Q_k - godišnja potrebna količina energije k-te vrste

R - očuvana (rezidualna) vrednost sistema u n-toj godini, poslednjoj godini

pretpostavljenog radnog veka

d_j; b_j - diskontni faktori j-te godine

Zbog svog izuzetnog značaja za veličinu instalisanog postrojenja i godišnje eksplo-atacije troškova grejnog sistema građevinski omotač objekta je analiziran sa 5 stepeni izolacije, kako bismo pokazali da boljom toplotnom zaštitom je moguća značajna ušteda toplotne energije u odnosu na dosadašnji način izgradnje.

Tabela 1. Stepeni izolacije objekta sa srednjim koeficijentom prolaza toplote

STEPEN IZOLACIJE		Kd [W/m^2K]
1.	Trenutno stanje	1,35
2.	Prema zakonu o minimalnoj termičkoj zaštiti građevinskih objekata	0,87
3.	Prema normativima u zemljama Zapadne Evrope	0,70
4.	Prema standardima u Švedskoj	0,48
5.	Približno konceptu "zero energy house"	0,28

Proračun gubitka toplote računat je uprošćeno, preko srednjeg koeficijenta prolaza toplote K_D, određenog sledećim izrazom:

(2)

gde su:

K_p; K_z; K_k: K_t- koeficijenti prolaza toplote kroz prozor spoljni zid, tavanicu prema tavanu i pod, sukcesivno;

S_p; S_z; S_k; S_t - površine odgovarajućih građevinskih elemenata;

t_k; t_t - temperaturski koeficijenti koji su za klimatske uslove posmatranog objekta imaju vrednosti: _k = 0,7305 _t = 0,380.

Za svaki stepen izolacije analizirane zgrade izračunati su gubici toplote po mese-cima što je prikazano u tabeli 2. Treba napomenuti da su korišćeni meteorološki podaci i da su gubici toplote usled infiltracije spoljnjeg vazduha kroz prozorske fuge jednaki za sve stepene izolovanosti zgrade i računati su ne prema vrsti prozora, nego prema potrebnom broju izmena vazduha iz higijenskih uslova.

Qgod.			152681			112402			97545			78356			60897
April	7	7,7	21,90	6,85	4586	14,27	6,85	3374	11,49	6,85	2926	7,98	6,85	2360	4,59	6,85	1826
Mart	31	5,5	26,50	8,18	24250	17,05	8,18	17833	13,72	8,18	15479	9,41	8,18	12431	5,49	8,18	9660
Feb.	28	2,5	31,86	10	26724	20,84	10	19688	16,77	10	17088	11,5	10	13724	6,71	10	10665
Jan.	31	-1,2	39,80	12,24	36300	25,52	12,24	26689	20,53	12,24	23162	14,08	12,24	18601	8,41	12,24	14460
Dec.	31	2,5	31,86	10	29587	20,84	10	21798	16,77	10	18919	11,5	10	15194	6,71	10	11807
Nov.	30	6,9	24,04	7,33	21004	16,19	7,33	15480	12,30	7,33	13427	8,43	7,33	10783	4,92	7,33	8379
Okt.	17	8,6	21,02	6,3	10230	13,14	6,3	7540	10,66	6,3	6544	7,45	6,3	5263	4,43	6,3	4099
Mesec	br. dana	tmm	Qt(kW)	Qv (kW)	Qm (kWh)	Qt(kW)	Qv (kW)	Qm (kWh)	Qt(kW)	Qv (kW)	Qm (kWh)	Qt(kW)	Qv (kW)	Qm (kWh)	Qt(kW)	Qv (kW)	Qm (kWh)
kd			1,35			0,87			0,70			0,48			0,28

Potrošnja tople vode je konstantna u odnosu na stepen izolovanosti zgrade. Pretpo-stavljeno je da svaki član domaćinstva prosečno dnevno troši 50 l tople vode temperature +45^OC. Računato je da u svakom stanu boravi četvoro ljudi. Ukupna godišnja potrebna količi-na toplotne energije za grejanje zgrade i priprmeu PTV u zavisnosti od izolacije prikazana je u tabeli 3.

Tabela 3. Ukupne toplotne potrebe objekta

Stepen izolacije	Qgod. (kWh)	Qgod. (kWh)	Qgod. (kWh)
	grejanje	PTV	ukupno
1	152681	37260	189941
2	112402	37260	149662
3	97545	37260	134805
4	78356	37260	115616
5	60897	37260	98157

Tabela 3.1. Cene različitih vidova energije

Vrsta	Jedinična cena	Toplotna moć	Cena Šd/kWhĆ
Električna energija			Crvena zona	V.T	N.T
				11,23	2,81
Ulje za loženje - lako	49,20 d/l	35,3 MJ/l	5,0
Gas	11,94 d/m^3	46 MJ/kg	1,4
Mrki ugalj	3 d/kg	16 - 19 MJ/kg	0,6

2. Rezultati istraživanja i diskusija

2.1. Klasični sistem centralnog grejanja sa radijatorima

SISTEM 1. je klasičan sistem centralnog grejanja sa radijatorima. Radni fluid je topla voda 90/70^oC. Kao gorivo za pogon kotla koriste se četiri izvora energije: ugalj, ulje za loženje, gas i električna energija.

Sanitarna topla voda se priprema u električnim bojlerima.

Na slici 2. prikazani su ukupni troškovi sistema centralnog grejanja sa radijatorima, u zavisnosti od nivoa izolovanosti zgrade. Ovi troškovi obuhvataju investicione troškove, troškove održavanja i troškove energije u periodu od 10 godina.

20

T [10⁶ dinara]

15

10

Sl. 1. Neto sadašnja vrednost troškova u toku radnog veka za 1. sistem

Na dijagramu se vidi da su najveći troškovi grejanja ako se koristi el. energija ili lož ulje, dok su najniži troškovi grejanja ukoliko se ugradi kotao na čvrsto gorivo. Troškovi korišćenja uglja su nerealno niži u odnosu na ostala goriva, jer nisu uzimani u obzir tro-škovi radne snage za opsluživanje kotla. No, bez obzira na to ukupni troškovi u slučaju primene kotla na ugalj još uvek bi bili niži u odnosu na druga goriva.

2.2. Toplotna pumpa vazduh - voda

SISTEM 2. sadrži toplotnu pumpu vazduh/voda koja zadovoljava sve toplotne potrebe objekta do spolje temperature +4^oC. Ispod ove temperature u alternativnom pogonu, uključuje se klasičan kotao koji koristi jedan od četiri navedena izvora energije. Van grejne sezone, TP pokriva celokupne energetske potrebe za pripremu PTV. U sistemu je predviđen rezervoar za toplu vodu zapremine 2,5 m³. Potrebna toplotna snaga na kondenzatoru TP data je u tabeli 5.

Tabela 4. Potreban toplotni učinak toplotne pumpe

u zavisnosti od nivoa izolovanosti zgrade

kd	QG (kW)
1,35	55,6
0,87	43
0,70	38,4
0,48	32,4
0,28	27

Za sistem sa toplotnom pumpom, efekat TP određen je na osnovu učestalosti poja-vljivanja spoljnih temperatura u grejnoj sezoni, a prema meteorološkim podacima. Srednji koeficijent grejanja u grejnoj sezoni iznosi _g = 2,76, dok je van grejne sezone _g = 3,15.

Karakter krivih na slici 3. je sličan kao na slici 2, ali su ukupni neto troškovi u toku 10 godina rada postrojenja značajno niži. I za ovaj sistem važi navedena konstatacija da su ukupni troškovi u slučaju korišćenja dodatnog kotla na ugalj nerealno niski, jer ne obuhvataju troškove radne snage.

Takođe, korišćenje kotla na ugalj stvara dodatne tehničke probleme zbog otežane automatske regulacije prilikom prebacivanja funkcije kotla i TP koji rade u alternativnom pogonu.

20

15

10

5

T Š10⁵ dinaraĆ

Sl. 2. Neto sadašnja vrednost troškova u toku radnog veka za 2. sistem

2.3. Solarni sistem

SISTEM 3. obuhvata sistem prijemnika Sunčeve energije (PSE) koji rade tokom cele godine, a ostatak potrebne količine toplote obezbeđuje se iz konvencionalnog izvora. Za sistem PSE, kao najpogodniji ugao nagiba tokom cele godine usvojen je nagib PSE-a od 45^o.

Na slici 3. prikazana je zavisnost potrebnog dodatnog grejanja sanitarne tople vode u funkciji površine PSE.

Sl. 3. Zavisnost dodatnog grejanja PTV leti od površine PSE-a

T [10⁶ dinara]

30

25

20

15

10

5

Sl. 4. Neto sadašnja vrednost troškova za 3. sistem i nivo izolovanosti 1,

u funkciji površine PSE-a

Na slici 4. prikazani su ukupni troškovi za prvi nivo izolovanosti. Minimum funk-cije troškova daje optimalnu površinu PSE za date uslove.

Zagrevanje potrošne vode vrši se preko cele godine i nije ograničeno na grejni peri-od za zagrevanje prostorija. U letnjim mesecima potrošna voda može da se zagreva samo pomoću solarnih postrojenja i to do 100%. Zimi solarnom emergijom mogu da se pokriju 50 - 70% toplotne potrebe u zavisnosti od tipa kolektora. Domaćinstvo sa 4 člana i 200l potrebne dnevne tople vode pri temperaturi od 45^oC i sa rezervoarom od 300l zahteva pri-bližno 8m² kolektorske površine.

Konvencionalno dopunsko grejanje obezbeđuje odgovarajuću količinu tople vode u dane sa umerenim sunčevim zračenjem leti i zimi. Slika 5. prikazuje solarni sistem sa do-punskim konvencionalnim grejanjem. Ekonomična solarna postrojenja zavise od ušteđene konvencionalne energije.

Zaključci

Na osnovu napred navedenog, mogu da se iznesu sledeći zaključci:

1. Odnos ekonomičnosti pojedinih sistema za grejanje je približno stalan i malo zavisi od stepena izolovanosti zgrade, tj. instalisanog kapaciteta.
2. Poboljšanje termičke izolacije zgrade povećava investicione troškove gradnje, ali značajno smanjuje kako investicione troškove postrojenja za grejanje, tako i potro-šnju energije u periodu eksploatacije. Ovo istraživanje je pokazalo da se uštede pri grejanju stanova mogu postići poboljšanjem termičke zaštite zgrada.
3. Analizom je, za sve sisteme grejanja, dobijeno da su najniži ukupni troškovi ako se kao osnovno gorivo koristi ugalj. Uopšteno posmatrano, grejanje manjih objekata (16 stanova) na ugalj je podložno kritici. Pored problema sa regulisanjem potrebe za stalnim opsluživanjem postrojenja (ti troškovi nisu uzeti u obzir u ovoj analizi) velikih oscilacija u asortimanu i kvalitetu uglja koji se može nabaviti na tržištu, mala je verovatnoća da se cena uglja u bliskoj budućnosti neće približiti ceni ulja za loženje. Takođe, male kotlarnice na ugalj u gradskoj sredini ozbiljno utiču na pove-ćanje aerozagađenosti, pa pri izboru sistema treba uzeti u obzir i ekološke aspekte. Ekonomski gledano, od razmatranih sistema za grejanje i pripremu PTV najbolje rezultate pokazuje sistem sa toplotnom pumpom.
4. Ako se posmatraju samo troškovi energije za pojedine sisteme, onda su sistemi koji koriste nove izvore energije (toplotna pumpa, solarni sistemi) u nesumnjivoj pred-nosti nad konvencionalnim izvorima. Evidentna činjenica je da smo zemlja siroma-šna sa konvencionalnim gorivima, ukazuje na izraženu potrebu da i dalje usmerava-mo snage ka razvoju konkurentnih sistema za korišćenje novih izvora energije i to pre svega SUNČEVE ENERGIJE. Pri ovoj ekonomskoj evaluaciji javili su se odre-đeni problemi zbog toga što je posmatrani period posmatran u uslovima nestabilne ekonomije, pa se rezultati korišćene metode ekonomske analize mogu prihvatiti sa određenom rezervom. Zbog nepoznanica (npr. diskontni faktor) pri izboru "opti-malnog" rešenja, treba se više oslanjati na ENERGETSKU ANALIZU, koja novim izvorima energije daje nesumnjivu prednost u odnosu na konvencionalne izvore.
5. Pred nauku se dugoročno gledano, postavljaju trajni zadaci za usavršavanje tehno-logije i ekonomike korišćenja nekonvencionalnih izvora energije, posebno sunčeve energije. Realno je očekivati da će se metode i postrojenja za primenu sunčeve energije usavršavati do te mere da će moći masovno da se primenjuju u praktičnom životu. Trenutni nedostaci primene sunčeve energije eliminisaće se postepeno, što će dovesti do ekonomske opravdanosti njihove izgradnje.

Literatura

[1.] M. Lambić: TERMOTEHNIKA SA ENERGETIKOM

Tehnički fakultet "Mihajlo Pupin" Zrenjanin

[2.]Reckangel, Sprenger: PRIRUČNIK ZA GREJANJE I KLIMATIZACIJU

Građevinska knjiga - Beograd 1982.

[3.] B. Todorović: PROJEKTOVANJE POSTROJENJA

ZA CENTRALNO GREJANJE

Mašinski fakultet u Beogradu, 1993.

[4.] S. Šamalović: TOPLOTNE PUMPE U PRIMENI

Viša politehnička škola, Beograd 1987.

[5.] Bilić F.: POSTUPCI PRORAČUNA EKONOMIČNOSTI INVESTICIJE

KGH; 1984.

[6.] S. Zrnić, @. ]ulum: GREJANJE I KLIMATIZACIJA

Naučna knjiga, Beograd, 1991.

[7.] B. Todorović: ENERGETIKA BEOGRADA,

SMEITS, Beograd, 1982.

[8.] Prospekti proizvođača opreme