Ekonomika Gruntowych Pomp Ciepła - Przykład rynku USA
Przedstawiona niżej analiza kosztów, mimo że dotyczy rynku
amerykańskiego, ma ważny aspekt poznawczy, ponieważ została oparta na
analizie rzeczywistych kosztów budowy i funkcjonowania kilkudziesięciu
instalacji GPC, z których wiele ma już ponad 20 lat. W literaturze
przedmiotu, dane na temat efektywności ekonomicznej instalacji GPC z
reguły opierają się na założeniach teoretycznych, ponieważ
monitorowanie kosztów w długim okresie czasu jest rzadko prowadzone.
Rzadko również można spotkać informacje dotyczące tylko budynków
komercyjnych i użyteczności publicznej, w tym zwłaszcza w rozbiciu na ...
róże typy budynków. Efektywność ekonomiczną odnosi się z reguły do
wielkości zainstalowanej mocy grzewczej lub rzadziej do powierzchni
ogrzewanych pomieszczeń.
Instalacje GPC w budynkach komercyjnych i użyteczności publicznejZamieszczone niżej dane (tab. 14 - 17, rys. 20, 21) zostały oparte głównie na wynikach badań zamieszczonych w raportach wykonanych w latach 1998-1999 na zamówienie Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE - Departament of Energy) w ramach wdrażania w życie narodowego programu rozwoju geotermalnych pomp ciepła (ang. FEMP - Federal Energy Management Program). Badania te (Bloomąuist, 2001) miały na celu ustalenie rzeczywistej ekonomicznej opłacalności zastosowania pomp ciepła w budynkach komercyjnych i użyteczności publicznej z uwzględnieniem wszystkich rodzajów kosztów ponoszonych przez użytkownika w całym okresie użytkowania instalacji (ang. LCC - Life Cycle Cost).
Na koszty te składają się koszty inwestycyjne (ang. capital costs), operacyjne (ang. operating costs) oraz koszty utrzymania i serwisowania instalacji (ang. maintenance costs). W poniższych zestawieniach porównano koszty instalacji GPC z kosztami instalacji konwencjonalnych (elektrycznych i gazowych), najczęściej stosowanych na rynku amerykańskim. Porównanie wykonano dla różnych typów budynków, w których dokonano wymiany instalacji grzewczo-klimatyzacyjnych (ang. HVAC - heating, ventilation, air conditioning), opartych na gazie lub elektryczności, na instalacje GPC (pionowe lub horyzontalne, zamknięte lub otwarte). Liczbę przykładów uwzględnionych w analizie porównawczej podano w tabelach jako „liczba instalacji". Moc grzewcza instalacji HVAC uwzględnionych w analizie zawierała się w bardzo szerokim przedziale od kilkuset do kilku tysięcy kWh. Z uwagi na bardzo zróżnicowany charakter i wielkość budynków, przedstawione dalej wielkości kosztów mają charakter uśredniony i mogą znacznie się różnić w konkretnych przypadkach.
Tab. 14. Zestawienie porównawcze kosztów budowy systemów GPC (wg Bloomąuist, 2001) inwestycyjnych
| Typ budynku lub instalacji | Liczba instalacji | Koszt w$/m2 | Koszt w $/kWh |
| Systemy GPC |
| Typ budynku: |
|
| Szkoły | 32 | 115,40 | 1018 | | Budynki biurowe | 13 | 85,00 | 1002 | | Sklepy | 5
| 35,90 | 1094 | Domy opieki społecznej
| 3
| 126,20 | 1116 | | Więzienia | 3 | 134,90 | 1317 | | Stacje benzynowe | 1
| 232,40 | 1947 |
| Typ instalacji GPC: |
|
| Pionowa zamknięta | 50 | 117,90 | 1104 | | Horyzontalna zamknięta | 8
| 55,10 | 716 | | Pionowa otwarta | 7
| 55,00
| 851 |
| Systemy konwencjonalne | | Ogrzewanie elektryczne | 2
| 52,00 | bd | Ogrzewanie gazowe
| 5
| 61,00
| bd |
Z powyższego zestawienia wynikają następujące wnioski:
- Koszty inwestycyjne instalacji GPC w przeliczeniu na m powierzchni grzewczej są mocno zróżnicowane w zależności od typu budynku, co wynika z różnego ich zapotrzebowania na energię cieplną. Budynki sklepowe mają z reguły duże powierzchnie o niskim zapotrzebowaniu na ciepło, stąd też koszt jednostkowy jest najniższy. Im wyższych temperatur wymagają pomieszczenia, a instalacje mają służyć również do innych celów (podgrzewanie wody, klimatyzacja, itd.), tym wyższe są koszty początkowe. Szczególnym przypadkiem są stacje benzynowe, gdzie jednostkowy koszt inwestycyjny jest bardzo wysoki i wynika z tego, że instalacja GPC ma służyć nie tylko do ogrzewania i klimatyzowania pomieszczeń, ale również do produkcji lodu, chłodzenia, topienia śniegu na podjazdach, podgrzewania wody dla myjni samochodowych. Mimo wysokich kosztów inwestycyjnych, zastosowanie GPC w tym segmencie rynku USA bardzo szybko rośnie.
- Koszt inwestycyjny w przeliczeniu na kWth zainstalowanej mocy grzewczej jest znacznie mniej zróżnicowany w poszczególnych rodzajach budynków, choć wyraŹnie wybija się w przypadku stacji benzynowych.
- Wśród instalacji GPC instalacje horyzontalne są znacznie tańsze niż instalacje pionowe, zamknięte (o ok. 35% tańsze w przeliczeniu na 1 kWh). Dla budynków o dużym zapotrzebowaniu na energię cieplną możliwości ich zastosowania są jednak z reguły mocno ograniczone, z uwagi na brak wystarczającej powierzchni do ułożenia kolektora gruntowego. Z tego względu w budynkach komercyjnych i użyteczności publicznej głównie instalowane są wymienniki pionowe.
- Podany w zestawieniu koszt jednostkowy otworowych instalacji otwartych bazujących na wodach podziemnych jest porównywalny z instalacjami horyzontalnymi. Ponieważ autor nie podaje, czym spowodowany jest tak niski ich koszt, można przypuszczać, że analizowane przypadki bazują na już istniejących studniach lub też schłodzona woda zrzucana jest do wód powierzchniowych.
- Koszty inwestycyjne konwencjonalnych systemów grzewczych opartych na gazie i elektryczności są porównywalne z kosztami instalacji horyzontalnych GPC i około 2-krotnie niższe w porównaniu do zamkniętych instalacji otworowych.
Tab. 15. Zestawienie porównawcze rocznych kosztów operacyjnych (koszty zakupu energii)
Typ budynku lub instalacji
| Instalacje GPC | Instalacje konwencjonalne razem | Uzyskane oszczędności po przejściu na GPC |
| Liczba instal. | Koszt w $/(m2.rok) | Liczba instal. | Koszt w $/(m2.rok) |
Typ budynku:
| | Szkoły | 22 | 5,90 | 19 | 9,20 | 36% | Budynki biurowe
| 10 | 9,90 | 8 | 13,90 | 29% | Sklepy
| 4 | 5,80 | 3 | 9,50 | 39% | Domy opieki społecznej
| 2
| 9,50 | 3 | 13,30 | 26% | Więzienia
| 2
| 11,90 | 1 | 12,20 | 2% | | Stacje benzynowe | 1 | 89,90 | 1 | 122,30
| 26% |
| Typ instalacji: | Pionowa zamknięta
| 34 | 8,20 | 33 | 1130 | 27% | | Horyzontalna zamknięta | 6 | 4,70 | 3 | 8,90 | 47% | | Pionowa otwarta | 6 | 8,10 | 3 | 10,50 | 23% |
Koszty operacyjne instalacji gazowych są szacowane średnio w wysokości 12,50 $/(m2.rok).
Z powyższego zestawienia wynikają następujące wnioski:
- Koszty zakupu energii elektrycznej dla potrzeb instalacji GPC w przeliczeniu na m2 powierzchni ogrzewanej są najniższe w przypadku szkół i budynków sklepowych (szkoły mają okres wakacyjny, sklepy duże powierzchnie o niskich wymaganiach cieplnych). Najwyższe są w przypadku stacji benzynowych z powodów opisanych wcześniej.
- Wśród instalacji GPC koszty operacyjne instalacji horyzontalnych są ponad 40% niższe niż w przypadku instalacji otworowych.
- Koszty operacyjne instalacji konwencjonalnych (elektrycznych i gazowych) są średnio o 40% wyższe od kosztów instalacji GPC łącznie.
- Największe oszczędności ekonomiczne, rzędu 47%, uzyskano przy przejściu z instalacji konwencjonalnych na instalacje horyzontalne GPC. W przypadku instalacji pionowych zysk był mniejszy i średnio wyniósł około 25%.
- Największe oszczędności z zastosowania systemów GPC odnotowano w sektorze budynków biurowych (39%) i szkolnych (36%).
Tab. 16. Zestawienie porównawcze rocznych kosztów utrzymania instalacji (serwis, przeglądy)
| Typ budynku | Instalacje GPC razem | Instalacje konwencjonalne razem | Uzyskane oszczędności po przejściu na GPC |
| Liczba instalacji | Koszt $/(m2.rok) | Liczba instalacji | Koszt $/(m2.rok) | | Szkoły | 10
| 130
| 11 | 3,70 | 65% | | Budynki biurowe | 1 | 2,70
| 1 | 3,40 | 21% | Domy opieki społecznej
| 1 | 1,00 | 2
| 2,50 | 60% | | Więzienia | 1 | 1,50 | 1
| 4,80
| 69% | | Razem | 13
| 1,40 | 15 | 3,60 | 61% |
Koszty utrzymania instalacji gazowych są szacowane średnio w wysokości 3,30 $/(m2.rok).
Z powyższego zestawienia wynikają następujące wnioski:
- Bieżące koszty obsługi i utrzymania instalacji GPC w przeliczeniu na m2 powierzchni ogrzewanej są średnio ponad 2,5 razy niższe niż systemów konwencjonalnych (elektrycznych i gazowych).
- Przejście z systemu konwencjonalnego na GPC pozwoliło obniżyć roczne koszty obsługi instalacji HVAC średnio o ponad 60%.
Tab. 17. Całkowite koszty budowy i użytkowania systemów GPC i konwencjonalny w całym okresie funkcjonowania instalacji (LCC) w $/m2 Typ systemu
| Koszt inwestycji | Roczne koszty operacyjne | Roczne koszty utrzymania
| Koszty operacyjne 20 lat | Koszty utrzymania 20 lat
| Całkowity koszt (LCC)20 lat |
| Wariant I - stałe koszty operacyjne i utrzymania w ciągu 20 lat, stopa dyskontowa Banku Narodowego - 4,5% | GPC - średnio razem
| 100,10 | 8,00 | 1,40 | 104,10 | 18,20
| 222,40 | | Ogrzewanie gazowe | 61,00
| 12,50 | 3,30 | 162,60 | 42,90 | 266,50 |
| Wariant II - roczny wzrost kosztów operacyjnych i utrzymania w wysokości 2,0%, stopa dyskontowa - 4,5% | | GPC - średnio razem | 100,10
| 8,00 | 1,40 | 125,30 | 21,90 | 247,30 | | Ogrzewanie gazowe | 61,00 | 12,50 | 3,30
| 195,80 | 51,70 | 308,50 |
Rys. 20. Koszty inwestycji i użytkowania systemów GPC i gazowych w okresie 20-tu lat [$/m (dane wg Bloomąuist, 2001)
Rys. 21. Porównanie łącznych kosztów inwestycji i użytkowania systemów GPC z systemami gazowymi w kolejnych latach eksploatacji [$/m2] - dane wg Bloomąuist, 2001)
Wnioski płynące z powyższych zestawień wyrazić można następująco:
- Początkowe koszty inwestycyjne instalacji GPC są średnio wyższe o około 40% w porównaniu do kosztów inwestycyjnych instalacji gazowych.
- Mimo znacząco wyższych kosztów inwestycyjnych, całkowity koszt użytkowania instalacji GPC w całym okresie jej funkcjonowania (tu przyjęto 20 lat) jest wyraŹnie niższy w porównaniu do instalacji gazowych. Przy wariancie rosnących kosztów operacyjnych system GPC staje się tańszy od gazowego po około 6 latach od rozpoczęcia eksploatacji. Różnica w kosztach rośnie do około 25% pod koniec 20 letniego okresu funkcjonowania systemu.
- W całym 20-letnim okresie funkcjonowania instalacji, koszty operacyjne (zakupu energii lub gazu) systemów GPC stanowią około 64% kosztów operacyjnych systemów gazowych. W przypadku kosztów utrzymania udział ten jest jeszcze niższy i wynosi 42%.
Instalacje GPC w budynkach mieszkalnychW poniższej tabeli zestawiono całkowity koszt wykonania instalacji różnych systemów GPC w odniesieniu do instalacji gazowej i dodatkowo w stosunku do pompy, dla której dolnym Źródłem ciepła jest powietrze. Zestawienie pokazuje średnie koszty dla typowego domu jednorodzinnego w USA o powierzchni 120 m2 i przy czterech osobach zamieszkujących (moc grzewcza systemu ok. 10 kW).
Tab. 18. Zestawienie średnich kosztów wykonania instalacji GPC na tle instalacji gazowej i pompy powietrze/woda Instalacja gazowa
| Pompa ciepła (powietrze)
| GPC pionowe otwarte (z zatłaczaniem) | GPC pionowe zamknięte | GPC horyzontalne płaskie | 4330$
| 4430$ | 6870$ | 9000$ | 8140-8630$* |
* - w zależności od sposobu ułożenia kolektora
(spiralny, płaski)
Według danych tego samego Źródła (Geo-Heat Center - Bulletin Vol. 18, No 2, 2003) koszt instalacji wewnętrznej zawiera się w przedziale 4500-6000 $ w zależności od sposobu rozprowadzania ciepła wewnątrz domu. średni koszt wykonania instalacji podziemnej wynosi:
- instalacje horyzontalne - ok. 2 200-2 700 $ (w zależności od sposobu ułożenia kolektora; spiralny, bądŹ płaski),
- instalacje pionowe zamknięte - ok. 3 100 $,
- instalacje pionowe otwarte z zatłaczaniem - ok. 2000 $.
Udział kosztów wykonania instalacji podziemnej w całkowitych kosztach inwestycyjnych zawiera się więc w przedziale od 27% w przypadku systemów horyzontalnych płaskich, do 34% w przypadku zamkniętych systemów otworowych.
Poniżej (tab. 19) przedstawiono również porównanie kosztów ogrzewania typowego domu jednorodzinnego w $ na 1 kWh zużytej energii pozyskanej z różnych Źródeł. Wartości odnoszą się do cen jednostkowych nośników energii z 2002 r. (elektryczność 0,07 $/kWh; olej opałowy 0,28 $/l; propan-butan 0,32 $/l; gaz naturalny 0,60 $/m3) i uwzględniają tylko koszty operacyjne (zakupu energii lub paliw).
Tab. 19. Koszty ogrzewania domu jednorodzinnego za pomocą energii z różnych Źródeł | Gaz naturalny | Pompa ciepła (powietrze) | Olej opałowy | Propan-butan | Energia elektryczna | GPC - COP 3,5 | | 0,024 $ | 0,032 $ | 0,031 $ | 0,054 $ | 0,070 $ | 0,020 $ |
Zakładając w przybliżeniu, że średnie roczne zużycie energii elektrycznej przez instalację GPC w takim domu wynosi w warunkach amerykańskich średnio około 10 000 kWh (wg Geo-Heat Center) oraz przyjmując cenę energii elektrycznej w wysokości wyżej podanej (0,07 $/kWh), roczny koszt ogrzewania przy zastosowaniu takiego rozwiązania wynosi około 700 $, czyli około 5,8 $/m2 i jest wyraŹnie niższy w przeliczeniu na jednostkę powierzchni ogrzewanej, niż w przypadku budynków komercyjnych i użyteczności publicznej (8,0 $/m2).
Z powyższego zestawienia wynika również, że ogrzewanie przy pomocy GPC jest rozwiązaniem najtańszym. W stosunku do ogrzewania elektrycznego jest około 3,5 razy niższe, ale w stosunku do ogrzewania gazowego tylko 1,2 razy. Należy zauważyć, że w przypadku budynków komercyjnych różnica ta jest większa i wynosi około 1,5.
 |
