Analiza zużycia energii elektrycznej podczas eksploatacji gazowego kotła kondensacyjnego
Widok budynku z instalacją badawczą (strona północno-zachodnia)
R. Śnieżyk
Zagadnienia związane z badaniami pracy kotłów gazowych są coraz częściej przedmiotem licznych publikacji [1, 2, 4. 6]. Ze względu na wysoką sprawność, gazowe kotły kondensacyjne znajdują coraz szersze zastosowanie. W artykule zostaną przedstawione wyniki prac badawczych prowadzonych przez autora w budynku wyposażonym w gazowy kocioł kondensacyjny [12].
Zobacz także
ASTAT Sp. z o.o. Wykonywanie pomiarów w przemyśle i energetyce zawodowej analizatorami przenośnymi PQ-Box
Dobra jakość zasilania charakteryzuje się tym, że napięcie sieciowe faktycznie docierające do odbiorcy odpowiada napięciu sieciowemu obiecanemu przez zakład energetyczny.
Dobra jakość zasilania charakteryzuje się tym, że napięcie sieciowe faktycznie docierające do odbiorcy odpowiada napięciu sieciowemu obiecanemu przez zakład energetyczny.
ASTAT Sp. z o.o. Komunikacja zdalna ze stacjonarnymi analizatorami jakości energii PQI-DA Smart
Coraz częściej podnoszonym tematem w zakresie sieci elektroenergetycznych każdego poziomu napięć oraz instalacji przemysłowych jest jakość energii elektrycznej. Jakość ta określana jest przede wszystkim...
Coraz częściej podnoszonym tematem w zakresie sieci elektroenergetycznych każdego poziomu napięć oraz instalacji przemysłowych jest jakość energii elektrycznej. Jakość ta określana jest przede wszystkim przez dwa dokumenty. Pierwszy to norma PN-EN 50160:2010 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych. Drugi to Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 22 marca 2023 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U. 819).
WAGO ELWAG Sp. z o.o. Transformacja energetyczna z wykorzystaniem produktów WAGO
Wytwarzanie, dystrybucja, magazynowanie i zużycie energii – tylko współdziałanie wszystkich podmiotów odpowiedzialnych za te działania sprawi, że transformacja energetyczna stanie się możliwa. Wraz ze...
Wytwarzanie, dystrybucja, magazynowanie i zużycie energii – tylko współdziałanie wszystkich podmiotów odpowiedzialnych za te działania sprawi, że transformacja energetyczna stanie się możliwa. Wraz ze wzrostem stopnia rozproszenia i wahań w produkcji energii instalacje wchodzące w skład systemu energetycznego muszą być zintegrowane w ramach jednej inteligentnej sieci energetycznej. WAGO oferuje rozwiązania, które wspierają ten proces zarówno wśród wytwórców, dostawców, jak i odbiorców energii.
StreszczenieW artykule przedstawiono opis i wyniki badań instalacji centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej za pomocą gazowego kotła kondensacyjnego. Szczególną uwagę zwrócono na zużycie energii elektrycznej niezbędnej do występowania kondensacji pary wodnej ze spalin. Za pomocą miernika energii elektrycznej wyznaczono zużycie energii elektrycznej w rzeczywistej instalacji badawczej. Oszacowano udział kosztów energii w odniesieniu do kosztów gazu ziemnego. Z uwzględnieniem błędów pomiarowych zastosowanego miernika, uzyskano wynik w granicach 4–5%.AbstractThe analysis of the consumption of power at the exploitation the gaseous condensing boilerArticle presents a description and results of research on a space heating and domestic hot water preparation system by means of gaseous condensing boiler. Special attention has been paid to power consumption indispensible to occurrence of steam condensation from exhaust. Power consumption was measured in the existing research installation. Share of power costs in relation to natural gas costs has been estimated. Obtained result was within 4-5% taking into account measurement error of the used meter. |
Technologia kotłów kondensacyjnych wymaga więcej urządzeń zasilanych energią elektryczną niż w kotłach tradycyjnych. Powoduje to większe zużycie energii oraz wzrost kosztów.
Kotły kondensacyjne muszą być wyposażone w palniki wentylatorowe, które nie występują w kotłach tradycyjnych. Z punktu widzenia użytkownika, koszt energii elektrycznej może być ważący w całych kosztach eksploatacyjnych wytwarzania ciepła za pomocą gazowych kotłów kondensacyjnych.
W tym kontekście warto wspomnieć o artykule W. Hibner i D. Ksionka [3], w którym szczegółowo opisano sposób pomiarów zużycia energii elektrycznej zapotrzebowanej przez kocioł kondensacyjny.
Opis obiektu badawczego
W październiku 2012 r. uruchomiono instalację do centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Instalacja centralnego ogrzewania dostarcza ciepło do mieszkania o powierzchni około 106 m2. Budynek znajduje się we Wrocławiu. Mieszkanie mieści się na I piętrze trzyrodzinnego budynku wybudowanego w latach trzydziestych XX w. Na fotografii 1. pokazano widok budynku od strony północno-zachodniej z zaznaczonymi pomieszczeniami.
Gazowy kocioł kondensacyjny o mocy QK = 20 kW jednofunkcyjny zainstalowany został w kuchni na I piętrze. Grzejnikowa instalacja centralnego ogrzewania została zaprojektowana na niskie parametry (tzCO/tpCO = 55/35oC), co wymagało znacznego zwiększenia powierzchni grzejnych. Zapotrzebowanie mocy cieplnej do centralnego ogrzewania oszacowano na poziomie QCO = 12 kW.
Ciepła woda użytkowa jest przygotowywana dla trzech osób. Kocioł kondensacyjny znajduje się w kuchni (I piętro), a część urządzeń: wymiennik ciepła do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, pompa ciepłej wody, pompa cyrkulacyjna oraz pompa centralnego ogrzewania, a także naczynia przeponowe (do co i cwu) znajdują się w piwnicy budynku.
W czasie pracy instalacji badawczej przeprowadzono wiele obserwacji, które opisano w publikacjach:
- ogólną sprawność dostawy ciepła [8],
- pracę instalacji centralnego ogrzewania [9],
- pracę instalacji ciepłej wody użytkowej [7],
- sprawność instalacji odbiorczych [10],
- wpływ taryf gazu ziemnego na koszty dostawy ciepła [11].
W pierwszym roku eksploatacji średnia sprawność kotła kondensacyjnego wyniosła hK2013 = 99,2%. Natomiast w drugim roku zanotowała hK2014 = 100,2%. Sprawność kotła wyznaczano w odniesieniu do wartości opałowej gazu ziemnego, przyjętej WuG = 34 500 kJ/m3.
Jak wynika z materiałów zawartych w literaturze, uzyskane wyniki wskazują, że osiągnięto założone cele. Najlepiej ujmuje to stwierdzenie, że koszty ciepła z gazu ziemnego (~5000,00 zł/a) są niższe niż wcześniej ponoszone koszty koksu i energii elektrycznej do przygotowania ciepłej wody użytkowej (około 5000,00 + 600,00 zł/a).
Warunki klimatyczne
Badania wykazały również istotny wpływ warunków klimatycznych na zużycie gazu ziemnego.
Wskaźnikiem zapotrzebowania ciepła do centralnego ogrzewania jest liczba stopniodni, definiowana zależnością:
gdzie:
tw – temperatura w pomieszczeniach, w [oC],
tzewnsr – średnia zewnętrzna temperatura w sezonie ogrzewczym, w [oC],
tSO – czas trwania sezonu ogrzewczego, doby.
W 2013 roku liczba stopniodni wynosiła 3401,5 Std, a w roku 2014 – 2776,0 Std.
Znalazło to wyraz w zużyciu gazu (brutto z kuchenką gazową), które wyniosło odpowiednio B2013 = 2 208,04 m3/a i B2014 = 1 737,96 m3/a. Natomiast koszty gazu wyniosły: KG2013 ≈ 4 784,06 zł/a i KG2014 ≈ 4 211,66 zł/a. Wprawdzie zmniejszenie zużycia gazu ziemnego (o 27,05%) niemal odpowiada zmianie liczby stopniodni (o 22,53%), to różnica kosztów gazu jest znacznie mniejsza (o 13,59%). Wynika to ze zmiany taryfy gazu ziemnego (podwyższenia ceny gazu w 2014 roku).
Potrzeby energii elektrycznej instalacji z gazowym kotłem kondensacyjnym
Aby osiągnąć efekt kondensacji pary wodnej ze spalin, konieczne jest zastosowanie dodatkowych urządzeń z napędem elektrycznym. W tradycyjnych kotłach gazowych stosowane są palniki atmosferyczne, które nie wymagają żadnych urządzeń elektrycznych, w przeciwieństwie do kotłów kondensacyjnych wyposażonych w palniki wentylatorowe (z wymuszonym podmuchem powietrza). Wiąże to się z koniecznością zasilania silnika wentylatora energią elektryczną.
W badanej instalacji zastosowano jednofunkcyjny, gazowy kocioł kondensacyjny o mocy nominalnej urządzeń elektrycznych, tj. palnika wentylatorowego i pompy obiegowej, równej PPW = 200 W. Przyjęte rozwiązanie technologiczne instalacji wymagało zastosowania:
- palnika wentylatorowego,
- pompy obiegowej kotła gazowego,
- układu sterowania kotła,
- pompy obiegowej centralnego ogrzewania,
- pompy obiegowej ciepłej wody użytkowej,
- pompy cyrkulacyjnej,
- układu sterowania „zewnętrznego” (instalacji).
W tabeli 1. podano nominalne moce elektryczne powyższych urządzeń.
Pomiary zużycia energii elektrycznej
Początkowo, w okresie od 1.10.2013 do 31.11.2014 r., dokonywano pomiarów zużycia energii elektrycznej za pomocą prostego miernika zużycia energii elektrycznej. W opisie technicznym miernika nie ma podanej dokładności pomiarowej. Można przyjąć, że pomiarów zużycia energii dokonywano z błędem 10%. Urządzenie to pozwala na odczyt jednej wartości i dokonywano tego raz na miesiąc. W tabeli 2. przedstawiono wyniki pomiarów zużycia energii elektrycznej urządzeń obsługujących gazowy kocioł kondensacyjny.
W tabeli 2. podano również średnią moc elektryczną w danym miesiącu oraz koszt energii elektrycznej. Jednostkowa cena energii elektrycznej została wyznaczona na podstawie faktur za całkowitą energię elektryczną zużywaną w mieszkaniu. Ceny są cenami brutto (z podatkiem VAT), gdyż użytkownik jest odbiorcą końcowym i koszty muszą uwzględniać ten podatek. Cena ta wyniosła w tym okresie cEE = 0,583 zł/kWh.
W celu oceny zużycia energii elektrycznej, postanowiono odnieść te wartości do wytwarzanej ilości ciepła.
Przeprowadzono analizę dostawy ciepła w okresie 10.2013–12.2014, tj. w czasie pomiarów zużycia energii elektrycznej. Najważniejsze dane z pomiarów (liczniki ciepła i dane meteorologiczne) oraz wyliczenia podano w tabeli 3.
Otrzymane wartości wskaźników dla każdego miesiąca podano w tabeli 4. Ostatecznie przyjęto, że najlepiej odnosić wartości zużycia energii elektrycznej do ilości ciepła wytworzonej w kotle EK. Wprowadzono wskaźniki:
e – względne zużycie energii elektrycznej (EEE, kWh) do ilości ciepła (Ek, GJ), kWh/GJ,
uE – udział zużycia energii elektrycznej do wytwarzanego ciepła, w [%],
ueK – udział kosztów energii elektrycznej w kosztach produkcji ciepła, w [%],
Na rysunku 1. przedstawiono wskaźnik udziału zużycia energii elektrycznej do ciepła.
Należy uznać, że uzyskany udział energii elektrycznej urządzeń dodatkowych w energii gazu ziemnego wynoszący około ueKsr = 5%, jest relatywnie niski.
Natomiast udział kosztów energii elektrycznej (KEE2014 = 189,35 zł) w kosztach ciepła z gazu ziemnego (KG2014 ≈ 4 211,66 zł/a) wynosi:
Rejestracja pomiarów chwilowych
Uznano, że do celów badawczych pomiary miesięczne są niewystarczające. W grudniu 2014 r. zastosowano miernik, który zapisuje na karcie SD pomiary: datę i godzinę pomiaru, minutę pomiaru, napięcia U, natężenia prądu I, współczynnik cosj.
Pomiary są wykonywane co około 1 minutę. W ciągu grudnia jest nt =44 640 minut, a przyrząd dokonał np = 43 355 pomiarów, czyli ponad 97%.
Zakres wahań napięcia jest relatywnie duży. Niskie wartości cosj występują przy obciążeniu miernikiem energii i programatorów czasowych. Zmiany mocy pobieranej przez poszczególne urządzenia wynikają raczej z wahań napięcia w sieci elektrycznej. Ilustruje to rysunek 2., na którym przedstawiono mierzone parametry w ciągu 16 godzin.
Pobieraną moc elektryczną wyznacza się z zależności:
Na rysunku 2. widać wyraźnie, że praca urządzeń odpowiada różnym zakresom mocy. W przypadku pomp wahania mocy są niewielkie, a w przypadku pracy kotła są one dość spore. Można jednoznacznie przypisać konkretne urządzenie lub ich zespół.
Analizując pomiary można wskazać, które urządzenie pracuje w danym momencie. Ilustruje to wykres na rysunku 3., na którym pokazano moc zużywaną w ciągu kilku godzin.
Na rysunku 4. pokazano wykres mocy w okresie od 24 do 31 grudnia 2014 r.
Widać na nim wyraźnie zmianę sposobu korzystania z ciepła w okresie świąt Bożego Narodzenia oraz zaprzestania wyłączania pompy centralnego ogrzewania w trzech ostatnich dniach roku (zmiana sposobu sterowania temperaturą w pomieszczeniach).
Na rysunku 5. pokazano wykres skumulowany mocy urządzeń w czasie pomiarów. Na rysunku tym zaznaczono granice mocy „zero”, kiedy nie pracują urządzenia wykonawcze, a jedynie programatory czasowe i miernik energii (Pzero < 5,0 W). Ponadto, na rysunku 5. przedstawiono pracę pompy centralnego ogrzewania (27,6 > PCO > 32,4 W). Zastosowano następujące oznaczenia: P – skumulowany pobór mocy wszystkich urządzeń, w [W], CO – dolna granica mocy pompy centralnego ogrzewania, w [W], Zero – dolna granica mocy urządzeń podstawowych, w [W], KOn – dolna granica mocy kotła i pompy centralnego ogrzewania, w [W], KWn – dolna granica mocy kotła i pomp do ciepłej wody, w [W], KOWn – dolna granica mocy kotła i wszystkich pomp obiegowych, w [W], Kn – dolna granica mocy kotła, w [W], Kx – górna granica mocy kotła, w [W].
W tabeli 5. przedstawiono syntetyczne parametry zużycia energii elektrycznej na podstawie szczegółowej analizy pomiarów w grudniu 2014 r.
W tabeli 6. podano wartości granicznych mocy poszczególnego wariantu pracy urządzeń elektrycznych układu zasilania gazowego kotła kondensacyjnego. Przeanalizowano wszystkie pomiary w grudniu 2014 r. (np = 43 355) i podano uzyskane wyniki.
Niestety, zbyt późno zauważono, że moc kotła (w warunkach eksploatacyjnych) Pk nie jest jednoznaczna, gdyż suma mocy trzech pomp jest jej niemal równa, czyli:
Dlatego nie można jednoznacznie stwierdzić, kiedy pracuje kocioł, a kiedy trzy pompy. Z programowania pracy urządzeń wynika, że włączanie trzech pomp zdarzało się sporadycznie. Na rysunku 6. pokazano udziały mocy poszczególnych urządzeń.
W tabeli 7. podano zużycie energii elektrycznej przez poszczególne kombinacje pracy urządzeń.
Różnica w zużyciu energii i kosztów energii elektrycznej wynika z oszacowania pracy urządzeń, co pokazano na rysunku 7. Konieczne jest uszczegółowienie pomiarów.
O ile różnice między sumami dwóch składników (K + CO, K + CW, CO + CW) są niewielkie (D2 = –0,3 ÷ 1,0 W), to przy trzech składnikach mocy (K + CO + CW) wynosi ona D3 = –4,8 W, tj. d3 = 2,8%. Na podstawie danych z jednego miesiąca trudno jest oszacować roczne koszty energii elektrycznej do każdego urządzenia. Jednak przeprowadzono taką próbę. Wyniki oszacowań podano w tabeli 8.
Strukturę kosztów energii elektrycznej, którą podano w tabeli 8. oraz pokazano na rysunku 8., uzyskano w następujący sposób. Najpierw wyznaczono koszt energii do pompy centralnego ogrzewania, przyjmując koszt wyznaczony wcześniej na podstawie dokładniejszych pomiarów w grudniu 2014 r. oraz liczby stopniodni Std w danym miesiącu i w grudniu. Następnie szacowano koszt energii elektrycznej do pompy ciepłej wody użytkowej i cyrkulacyjnej w odniesieniu do zużycia ciepła niezbędnego do przygotowania ciepłej wody użytkowej Ecw. Koszt energii elektrycznej do kotła (palnik, pompa obiegowa i układ sterowania) wyliczono z różnicy między sumą kosztów w danym miesiącu i wyznaczonych wcześniej kosztów pomp c.o. i c.w.
Podsumowanie
Przeprowadzona szczegółowa analiza zużycia energii elektrycznej przy eksploatacji gazowego kotła kondensacyjnego pozwala na wyciągnięcie następujących wniosków:
- do uzyskania wysokiej sprawności konieczne jest stosowanie dodatkowych urządzeń z napędem elektrycznym,
- największy udział w zużyciu energii elektrycznej ma elektryczne wyposażenie kotła, tj. palnik wentylatorowy, pompa obiegowa i układ sterowania kotła,
- roczny koszt energii elektrycznej w roku 2014 wyniósł około 189,00 zł,
- roczny koszt eksploatacji pompy centralnego ogrzewania wyniósł około 34,00 zł, mimo że pompa nie jest sterowana przez płynną zmianę obrotów,
- zastosowanie pompy centralnego ogrzewana ze sterowaniem elektronicznym nie jest opłacalne, gdyż czas zwrotu nakładów wynosi około 15 lat,
- przyjęte rozwiązanie technologiczne oraz warunki instalacji wymagają zastosowania dodatkowo pompy cyrkulacyjnej ciepłej wody użytkowej,
- w najczęściej występujących warunkach technicznych (mieszkanie i urządzenia w jednym mieszkaniu), pompa cyrkulacyjna nie będzie stosowana,
- udział kosztów energii elektrycznej w stosunku kosztów gazu ziemnego wyniósł ukEE ≈ 4,5% (z uwzględnieniem błędów pomiarowych: ukEE` ≈ 4,0 ÷ 5,0%), jest więc relatywnie niewielki,
- błędy pomiarów wynoszące około 10% nie podważają oszacowań zużycia energii elektrycznej za pomocą miernika energii,
- zastosowanie miernika energii elektrycznej stwarza możliwości śledzenia pracy poszczególnych urządzeń elektrycznych,
- szczegółowa analiza pracy urządzeń instalacji pozwoli na opracowanie najlepszych algorytmów sterowania i dalsze obniżenie kosztów dostawy ciepła do obiektów mieszkalnych.
Wykazano, że zwiększenie sprawności wytwarzania ciepła kompensuje nakłady energetyczne elektrycznych urządzeń dodatkowych w gazowych kotłach kondensacyjnych.
* * *
Praca badawczo-rozwojowa została sfinansowana w ramach działalności gospodarczej prowadzonej pod nazwą „Ryszard Śnieżyk” www.rsniezyk.pl.
