Nauka i ekologia

W tej rubryce prezentujemy streszczenia prac doktorskich oraz prac dyplomowych związanych z szeroko pojętą ochroną środowiska. Jesteśmy przekonani, że nasze publikacje przyczynią się do zbliżenia polskiej nauki i gospodarki, służąc popularyzacji rodzimych badań i rozwiązań w dziedzinie ekologii. Zapraszamy więc do współpracy kolejne uczelnie oraz placówki naukowo-badawcze.

---

Autor pracy: Marcin Sobechowicz
Temat: Analiza opłacalności inwestycji w instalację solarną w budynku mieszkalnym z basenem kąpielowym
Praca dyplomowa obroniona na Wydziale Zarządzania, Informatyki i Finansów Uniwersytetu Ekonomicznego we Wrocławiu, Katedra Finansów
Przedsiębiorstwa i Zarządzania Wartością
Promotor: prof. dr hab. Adam Kopiński

Energia z przyszłością

Uwarunkowania klimatyczne w Polsce,
zasadność zastosowania kolektorów słonecznych

„Energia promieniowania słonecznego wykorzystywana w aktywnych systemach grzewczych, w systemach pasywnych i innych elementach obudowy budynku, w urządzeniach fotowoltaicznych jest najbardziej atrakcyjną z punktu widzenia ekologicznego energią odnawialną. Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego nie powoduje żadnych efektów ubocznych, żadnych szkodliwych emisji, żadnego zubożenia jej zasobów naturalnych. Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego nie zakłóca stanu naturalnego środowiska i nie wpływa na krajobraz, życie roślin i zwierząt” [1].

Do atmosfery ziemskiej dociera jedynie ok. 1·10-9 (jedna miliardowa) część strumienia energii wypromieniowanej przez Słońce, a jednak stanowi to ok. 15 000 razy więcej niż wynosi obecnie światowe zużycie energii. Do powierzchni Ziemi dociera ok. 39÷45 proc. tego promieniowania i zależy to od szeregu czynników, między innymi:
– kąta padania promieni słonecznych,
– odległości Ziemi od Słońca,
– stopnia zapylenia atmosfery,
– zachmurzenia nieba,
– zawartości pary wodnej w atmosferze,
– stopnia zaabsorbowania energii słonecznej przez ozon w warstwie atmosfery,
– rozproszenia i zaabsorbowania na składnikach atmosfery.

Polska ma dobre warunki klimatyczne do wykorzystania kolektorów słonecznych. Na 1 m2 powierzchni Polski rocznie pada około 900-1100 kWh energii słonecznej. Napromieniowanie przedstawia mapa.


Najbardziej uprzywilejowanym rejonem Polski (powyżej 1048 kWh/m2/rok) jest południowa część obecnego województwa lubelskiego. Centralna część Polski, obejmująca około 50 proc. powierzchni, charakteryzuje się średnim napromieniowaniem około 1022-1048 kWh/m2/rok, natomiast południowa, wschodnia i północna część Polski około 1000 kWh/m2/rok.

Najmniejsze w skali roku ilości energii słonecznej obserwuje się w rejonie wysoko uprzemysłowionym (Śląsk), jak również na obszarze granicznym trzech państw: Polski, Czech i Niemiec, a ponadto w rejonie Polski Północnej z wyjątkiem Wybrzeża Zachodniego.

Polski klimat charakteryzuje się dużą zmiennością  napromieniowania w ciągu roku. W półroczu letnim do powierzchni Polski dociera ok. 70 proc. energii słonecznej w skali roku.


Analizując warunki klimatyczne, nasuwa się prosty wniosek, że kolektory najefektywniej pracują poza sezonem grzewczym – w półroczu letnim, czyli w niewielkim stopniu możemy liczyć na dogrzewanie centralnego ogrzewania. Bardzo dobrze natomiast sprawdzają się w przypadku ogrzewania ciepłej wody użytkowej i wody basenowej.

Lokalizacja budynku, istniejący system
grzewczy a warunki techniczne montażu zestawu solarnego

Analizowany budynek mieszkalny położony jest w miejscowości Chełm w woj. lubelskim, gdzie napromieniowanie wynosi ok. 1054 kWh/m2/rok. Budynek zasilany jest gazem ziemnym GZ50, który spalany jest w kotle gazowym firmy Viessmann, generując ciepło wykorzystywane do ogrzewania budynku, ciepłej wody użytkowej i wody basenowej. Budynek zamieszkiwany jest przez rodzinę 5-osobową, zużywającą średnio dziennie ok. 400 l ciepłej wody użytkowej. W budynku znajduje się całoroczny basen kąpielowy o wymiarach 15x7x1,55 m co daje około 160 m3 wody. Budynek posiada system ogrzewania płaszczyznowego podłogowego i ogrzewanie grzejnikowe.

Schemat instalacji solarnej,
dobór elementów zestawu solarnego i wycena kosztu inwestycji

Płaszczyzna kolektorów słonecznych zlokalizowana będzie na dachu basenu (15x5 m), skierowana na południe pod kątem 45o. Zdjęcie powierzchni dachu poniżej. Powierzchnia dachu będzie maksymalnie wykorzystana do montażu pola kolektorów słonecznych.


Instalację solarną należy dostosować do istniejącego systemu ogrzewania, co spowoduje wzrost kosztów o ok. 5 proc. całej inwestycji, w porównaniu z montażem zestawu w budynku w trakcie budowy. Kolektory słoneczne ułożone zostaną w dwóch rzędach w polach po trzy kolektory. Do każdego pola kolektorów będzie zainstalowany oddzielny regulator przepływu w celu ustalenia wymaganego przepływu na poziomie 5,5 l/min. Instalację solarną oparto na kolektorach próżniowo-rurowych heat-pipe. Połączenie rurowe pomiędzy polem kolektorów słonecznych a kotłownią poprowadzone będzie korytarzem technologicznym. W kotłowni, zamiast zasobnika ciepłej wody użytkowej (300 l), zainstalowany zostanie biwalentny zasobnik ciepłej wody użytkowej (CWU) w wydaniu solarnym o pojemności 500 l. Instalacja solarna z instalacją ogrzewania wody basenowej (CO) połączona zostanie za pomocą bufora CO 300 l z wężownicą MAX o zwiększonej wydajności cieplnej.

Instalacja solarna priorytetowo będzie ogrzewała ciepłą wodę użytkową w zasobniku 500 l, a nadmiar energii kierowany będzie do dogrzewania wody basenowej za pośrednictwem bufora CO 300 l. Strumień glikolu będzie przekierowywany z obiegu CWU na obieg CO za pomocą strefowego zaworu trójdrogowego, sterowanego sterownikiem solarnym COMPIT PRO.

W tabeli 1 przedstawiono wyszczególnienie elementów instalacji solarnej i elementów niezbędnych do dostosowania do istniejącego systemu grzewczego. Elementy wraz z wyceną zebrano w tabelę zbiorczą.


Powierzchnię domu przyjęto 600 m2. Obliczając wysokość podatku VAT, 50 proc. koszów opodatkowanych jest stopą 8 proc., natomiast pozostałe 50 proc. stopą 23 proc. Całkowity koszt inwestycji, uwzględniając wszystkie niezbędne materiały, koszt wykonania i podatek VAT, wynosi 70 628 zł brutto.

Obliczenie realnej mocy kolektorów
i sprawności instalacji

Znając zużycie ciepłej wody użytkowej i liczbę mieszkańców, obliczono dobowe zapotrzebowanie energii do przygotowania CWU, które wynosi 18,7 kWh energii cieplnej. Jest to ilość energii potrzebna do podgrzania 400 l wody na dobę z temperatury 10oC do temperatury 50oC (40 K).

Nie było możliwości zbadania doświadczalnie, ile potrzeba energii, aby utrzymać stałą (29oC) temperaturę wody w basenie. Dlatego na podstawie doświadczenia z użytkowania podobnych obiektów przyjęto spadek temperatury wody basenowej na poziomie 1K/24 h. Aby uzupełnić straty ciepła w wodzie basenowej, potrzebne jest około 186 kWh energii cieplnej na dobę. Ta ilość energii pozwoli na utrzymanie temperatury wody na wymaganym poziomie 29oC.

Łącznie pole kolektorów słonecznych jest w stanie dostarczyć 22 687 kWh energii cieplnej. Uwzględniając straty przesyłu ciepła z kolektorów do basenu, straty na buforze CO i wymienniku płytowym, realnie kolektory mogą dostarczyć około 20 192 kWh energii cieplnej, co daje nam pokrycie roczne ogrzewania ciepłej wody użytkowej na poziomie 90,7 proc., natomiast pokrycie ogrzewania wody basenowej w skali roku na poziomie 20,6 proc.


Obliczenie czasu zwrotu inwestycji.
Ocena efektywności projektu

Kolektory słoneczne wykorzystują energię słoneczną do ogrzewania wody. Ich opłacalność zależy od warunków klimatycznych, w jakich pracują, ale przede wszystkim od tego, jakie źródło energii zastępują. Im koszty ogrzewania wody są wyższe (droższe paliwo), tym kolektory słoneczne szybciej się amortyzują i większe generują oszczędności.

W analizowanym przypadku kolektory słoneczne będą częściowo zastępowały energię powstającą w wyniku spalania gazu ziemnego GZ50. Przeanalizowano dwa warianty:
1. Gdy inwestor w 45 proc. inwestycję pokrywa ze środków własnych, a w 55 proc. z kredytu na 5 lat.
2. Gdy inwestor korzysta z dostępnego dofinansowania z NFOŚiGW w wysokości 45 proc. kosztów inwestycji (po uwzględnieniu podatku dochodowego od dofinansowania 36 proc.), 9 proc. środki własne, 55 proc. kredyt na okres 5 lat.

Założenia do obliczenia opłacalności inwestycji zebrano i przedstawiono w tabeli 2.


Dofinansowanie z NFOŚiGW dostępne jest dla klientów indywidualnych i wspólnot  mieszkaniowych. Wysokość dofinansowania zależy od kwoty inwestycji i od powierzchni brutto kolektorów słonecznych. W przypadku gdy cena całej inwestycji nie przekracza kwoty 2500 zł za m2 kolektora słonecznego, dofinansowanie jest w wysokości 45 proc. kosztów kwalifikowanych, w przypadku przekroczenia tej wartości progowej, jest proporcjonalnie pomniejszane.

W analizowanym przypadku mamy całkowitą kwotę inwestycji w wysokości 70 628 zł, natomiast powierzchnia kolektorów brutto wynosi 54,70 m2, co w przeliczeniu daje 1291,19 zł/m2. Nie przekraczamy wartości progowej za m2 kolektora, co daje nam możliwość uzyskania 45 proc. dofinansowania. Przyznawanie dofinansowania odbywa się za pośrednictwem banków. Beneficjent zaciąga kredyt na 100 proc. kosztów inwestycji, a NFOŚiGW w ciągu dwóch miesięcy spłaca 45 proc. kredytu. Zaciągnięcie kredytu obarczone jest pewnymi kosztami, które nie są dofinansowane. Z dofinansowania należy rozliczyć się z Urzędem Skarbowym. Dofinansowanie obarczone jest 18 proc. podatkiem dochodowym. Realny procent dofinansowania po uwzględnieniu podatku wynosi 36 proc. kosztów inwestycji.

Wnioski i podsumowanie

Inwestycja w instalację solarną w analizowanym budynku mieszkalnym jest zdecydowanie opłacalna. Nie korzystając z żadnych dofinansowań (wariant 1), prosty czas zwrotu wynosi 9,5 roku, natomiast zdyskontowany czas zwrotu 11,3 lat. Wartość bieżąca netto wynosi 63 269 zł, przy wewnętrznej stopie zwrotu równej 13,4 proc.

W przypadku skorzystania z dostępnego programu dofinansowania z NFOŚiGW (wariant 2) wewnętrzna stopa zwrotu jest jeszcze wyższa i wynosi 25,5 proc. Natomiast prosty czas zwrotu inwestycji 7,1 lat, a zdyskontowany czas zwrotu 7,6 lat. Wartość bieżąca netto w tym wariancie wynosi 88 695 zł.

Instalacja solarna pokrywa około 20 proc. zapotrzebowania na energię cieplną do utrzymania stałej temperatury wody w basenie. Zatem uzasadnione jest zwiększenie wydajności instalacji solarnej poprzez zwiększenie powierzchni kolektorów słonecznych. Rozbudowa instalacji wpłynęłaby na zwiększenie opłacalności inwestycji. W analizowanym przypadku ograniczeniem była powierzchnia dachu (brak możliwości montażu kolektorów w innym miejscu).

Dokonano porównania opłacalności inwestycji w przypadku ogrzewania CWU i basenu innymi paliwami. Inwestycja najkorzystniej wypadła w przypadku najdroższego źródła ciepła – energii elektrycznej (IRR = 66,3%, a czas zwrotu inwestycji już po 2,5 roku). Najmniej korzystnie inwestycja wypadła w przypadku węgla kamiennego (IRR = 11,4 proc., a zwrot inwestycji po ponad 13 latach). Jednak przy skorzystaniu z dofinansowania z NFOŚiGW i stopie dyskonta na poziomie 5 proc. można liczyć na wartość bieżącą netto w wysokości 27 015 zł.

W wariancie 1 w przypadku zastąpienia instalacją solarną węgla kamiennego inwestycja jest na granicy opłacalności. Wewnętrzna stopa zwrotu zbliżona jest do stopy dyskonta równej 5 proc., a zdyskontowany czas zwrotu inwestycji jest prawie równy czasowi trwałości przedsięwzięcia. Ze względów czysto ekonomicznych należałoby się zastanowić nad sensem inwestycji. Natomiast w przypadku tego paliwa bardzo ważne są również względy ekologiczne i wygoda. Węgiel kamienny jest najbardziej trujący dla środowiska w porównaniu z pozostałymi analizowanymi paliwami, a przy tym najbardziej kłopotliwy w użytkowaniu. Prawdopodobnie dlatego instalacje solarne najczęściej są montowane w budynkach ogrzewanych węglem kamiennym (dane na podstawie statystyk z NFOŚiGW).


Bibliografia:
[1] Chwedczuk D.: Ocena strategii rozwoju energetyki odnawialnej oraz kierunki rozwoju wykorzystania energii słonecznej wraz z propozycją działań. NFOŚiGW. Warszawa, sierpień 2005.
[2] Synteza Raportu. Wizja rozwoju energetyki słonecznej termicznej w Polsce wraz z planem działań do 2020 r. [online]. Warszawa, Instytut Energetyki Odnawialnej [dostęp: 12-06-2010]. Dostępny w Internecie: http://www.ieo.pl/panelsloneczny.
[3] Kolektory słoneczne. Energia słoneczna wmieszkalnictwie, hotelarstwie idrobnym przemyśle. Wiśniewski G., Gołębiowski S., Gryciuk M., Kurowski K., Więcka A. Warszawa, 2008, str. 11-21.