W obliczu wzrastających cen energii elektrycznej istotnym aspektem wyboru systemu klimatyzacyjnego jest analiza ekonomiczna, która ma na celu ocenę opłacalności eksploatacji wybranej instalacji chłodniczej. Analizę w badanym przypadku przeprowadzono dla chłodziarki sprężarkowej, model SUPREME CC-GEEI firmy Vivax oraz chłodziarki adsorpcyjnej, model eCoo firmy SorTech AG o tej samej mocy chłodniczej CC, wynoszącej 16 kW. Parametry porównywanych urządzeń zestawiono w tabeli 6.
Tab.6. Charakterystyka analizowanych urządzeń [109, 110]
PARAMETR CHŁODZIARKA SPRĘŻARKOWA CHŁODZIARKA ADSORPCYJNA MOC CHŁODNICZA, kW 16 16 COP 2,86 0,65 POBÓR MOCY ELEKTRYCZNEJ [EP], kW 5,9 0,64
CZYNNIK CHŁODNICZY R410A woda
TEMPERATURA WODY
GORĄCEJ, °C - 65
56 Przyjmując do obliczeń standardowe wartości, które są podstawą projektowania systemów klimatyzacyjnych w budynkach, przy wysokości pomieszczenia 3 m, na 1m2
powierzchni należy zapewnić 0,1 kW mocy chłodniczej [111]. Warunek ten jest spełniony jeżeli w rozpatrywanym pomieszczeniu nie ma urządzeń, które generują szczególnie duże zyski ciepła. Zatem, analizowane urządzenia będą właściwe dla pomieszczeń lub hal przemysłowych o maksymalnej powierzchni 160 m2. Obliczenia obciążenia systemu klimatyzacyjnego przeprowadzono dla polskich warunków meteorologicznych. W pracy [112] zamieszczono całoroczny bilans cieplny dla budynku, z którego wynika, że średni czas pracy systemu klimatyzacyjnego w Polsce wynosi 1200 godzin w ciągu roku i dla tej wartości obliczono koszty eksploatacji analizowanych urządzeń chłodniczych.
Do obliczeń kosztów produkcji chłodu przyjęto poniższe ceny mediów:
średnia cena energii elektrycznej w Polsce w 2019 r. – 0,55 zł/kWh (taryfa G11 - stała cena przez całą dobę, gospodarstwa domowe); na podstawie [113] średnia cena ciepła sieciowego w Polsce w 2019 r. – 35,30 zł/GJ; na
podstawie [41], co po przeliczeniu daje 0,13 zł/kWh.
Wymagana moc cieplna, którą należy dostarczyć do agregatu adsorpcyjnego, aby utrzymać COP i moc chłodniczą na poziomie znamionowym wynosi:
𝐻𝑃 = 𝐶𝐶
𝐶𝑂𝑃 =
16
0,65= 24,6 𝑘𝑊 (19)
Wyliczenia kosztów eksploatacji przeprowadzono w oparciu o zależność (20), która uwzględnia koszty energii elektrycznej w przypadku chłodziarki sprężarkowej, a w przypadku chłodziarki adsorpcyjnej koszty energii cieplnej oraz koszty energii elektrycznej, związanej z działaniem pomp próżniowych i pomp obiegowych wody:
𝐶𝑒𝑛𝑎 1 𝑀𝑊ℎ 𝑐ℎł𝑜𝑑𝑢 =∑(𝑃 ∗ 𝐾𝐽) ∗ 𝑡 𝐶𝐶
1000 ∗ 𝑡
(20)
Po uproszczeniu zależności (20) otrzymano:
𝐶𝑒𝑛𝑎 1 𝑀𝑊ℎ 𝑐ℎł𝑜𝑑𝑢 =∑(𝑃 ∗ 𝐾𝐽) ∗ 1000
𝐶𝐶 (21)
gdzie: ∑𝑃 – to suma mocy elektrycznej EP i cieplnej HP pobieranej przez urządzenie [kW], KJ – to jednostkowy koszt energii odpowiednio elektrycznej lub cieplnej [zł/kWh], t – czas eksploatacji [h], CC – moc chłodnicza [kW].
57 Na podstawie przyjętych założeń i parametrów znamionowych analizowanych urządzeń wyniki obliczeń kosztów zużywanej energii do celów chłodniczych zamieszczono w tabeli 7. Zgodnie z przyjętymi warunkami sezonowy koszt produkcji chłodu metodą adsorpcyjną jest wyższy, jeżeli moc cieplna potrzebna do zasilania agregatu pochodzi wyłącznie z miejskiej sieci ciepłowniczej. Jest to konsekwencją niskiej sprawności urządzenia, co wymaga dostarczenia do układu dużej ilości energii cieplnej. Jednak koszt 1 MWh chłodu wyprodukowanej w tej technologii jest znacznie niższy, jeżeli źródłem energii cieplnej potrzebnej do zasilania agregatu będą zasoby własne. Wówczas koszt produkcji chłodu metodą adsorpcyjną składa się wyłącznie z energii elektrycznej, której udział jest niewielki, a wynika z konieczności zasilania obiegowych pomp wodnych i próżniowych.
Tab.7. Zestawienie kosztochłonności produkcji chłodu
Chłodziarka
Pobór mocy [kWh] Cena wykorzystanej
energii [zł] Roczny koszt produkcji chłodu [zł] Cena 1 MWh chłodu [zł] Moc elektryczna Moc cieplna Jk EP 0,55zł/kWh Jk HP 0,13zł/kWh Sprężarkowa 7080 - 3894 - 3894 202,8 Adsorpcyjna 768 29520 422,4 3837,6 4260 422,4* 221,9 22*
* ceny chłodu produkowanego w technologii adsorpcyjnej z wykorzystaniem np. ciepła odpadowego procesów przemysłowych, energii solarnej lub geotermalnej.
Analiza ekonomiczna oparta wyłącznie na ocenie zużycia i kosztów nośników energii, niezbędnych do produkcji chłodu w technologii konwencjonalnej i adsorpcyjnej wskazuje, że kluczowym parametrem opłacalności jest sprawność urządzenia. Pod tym względem chłodziarki sprężarkowe stanowią korzystne rozwiązanie, szczególnie dla małych obiektów budowlanych jak domy jednorodzinne. Jednak w dłuższej perspektywie czasu konkurencyjność systemów klimatyzacyjnych, opartych na energii elektrycznej, produkowanej szczególnie w przypadku Polski głównie z węgla, będzie stopniowo spadała wraz z postępem wdrażania w krajach Unii Europejskiej kolejnych etapów porozumień klimatycznych. Ponadto zróżnicowane ceny energii elektrycznej i cieplnej dla odbiorców indywidulanych w taryfach G, ceny dla przedsiębiorców w taryfach B, które ustalane są na podstawie bezpośrednich negocjacji oraz ceny energii dla instytucji, których dotyczy prawo zamówień publicznych, wpływają na zróżnicowany rzeczywisty koszt produkcji chłodu.
W związku z powyższym należy wyliczyć próg opłacalności zasilania adsorpcyjnego agregatu z miejskiej sieci ciepłowniczej, który wskaże cenę ciepła sieciowego, przy której
58 produkcja chłodu metodą adsorpcyjną będzie opłacalna. Próg opłacalności wyznaczy cena energii cieplnej, która pozwoli obniżyć koszt produkcji chłodu poniżej wartości otrzymanej dla chłodziarki sprężarkowej. Korzystając z założeń zużycia poszczególnych mediów zestawionych w tabeli 7 obliczono próg opłacalności dla produkcji adsorpcyjnego chłodu z wykorzystaniem ciepła kogeneracyjnego, a wyniki zestawiono na rysunku 22.
Rys. 22. Ceny produkcji 1 MWh chłodu w technologii adsorpcyjnej w zależności od ceny ciepła sieciowego
Cena 1 MWh chłodu produkowanej w technologii adsorpcyjnej spadnie poniżej kosztów produkcji chłodu urządzeniem sprężarkowym już przy cenie energii cieplnej równej 0,11 zł/kWh. W porównaniu z obecnie obowiązującą, średnią ceną ciepła sieciowego, wynoszącą 0,13 zł/kWh, jest to wartość realna do osiągnięcia, nawet w krótkim przedziale czasu, przy opracowaniu systemowego rozwiązania w zakresie współpracy z elektrociepłowniami w okresie letnim.
Do kompleksowej analizy progu konkurencyjności technologii adsorpcyjnej należy wziąć również pod uwagę koszty całkowitej inwestycji, które w przypadku domu jednorodzinnego nie mają szansy zwrotu w krótkim czasie eksploatacji z uwagi na sezonowość użytkowania systemów klimatyzacyjnych. Dlatego istotna jest również wielkość obiektu budowlanego, w którym planowana jest instalacja. Inwestycja osiągnie próg opłacalności najszybciej w obiektach, w których potrzebna jest duża moc chłodnicza, a systemy klimatyzacyjne pracują przez cały rok. Ważnym czynnikiem jest także docelowe źródło ciepła, z którego zasilany będzie agregat. Ciepło, które utylizowane będzie jako produkt uboczny procesów przemysłowych lub energia pozyskana z indywidualnych
0 50 100 150 200 250 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 221,9 206,5 191,1 175,8 160,4 Ce n a 1 MW h ch ło d u [zł /MWh ]
59 systemów solarnych znacznie obniży koszty produkcji adsorpcyjnego chłodu co potwierdzono w tabeli 7.