Ogrzewanie elektryczne – źródła ciepła

W artykule dokonano przeglądu nowoczesnych źródeł ciepła zasilanych energią elektryczną, takich jak akumulacyjne kotły elektryczne, a także wodne kotły elektryczne lub pompy ciepła, predysponowanych do współpracy z klasycznym wodnym ogrzewaniem.

Obecnie coraz częściej, szczególnie w nowo wznoszonych budynkach jednorodzinnych, spełniających coraz wyższe wymagania co do izolacyjności przegród zewnętrznych, należy rozważać możliwość zastosowania energii elektrycznej jako podstawowego nośnika energii (ogrzewanie elektryczne) zapewniającego niezbędny komfort cieplny wnętrza, tym bardziej że takie budownictwo często realizowane jest na terenie, gdzie nie ma sieci gazoenergetycznej oraz sieci ciepłowniczej, zapewniających stosowne nośniki grzewcze. A więc zastosowanie ogrzewania wykorzystującego energię elektryczną jest tam jedynym alternatywnym rozwiązaniem względem kotła na paliwo stałe.

Zastosowanie ogrzewania elektrycznego jest tym bardziej wskazane, gdyż mamy do dyspozycji cały szereg nowoczesnych urządzeń grzewczych, takich jak akumulacyjne kotły elektryczne, a także wodne kotły elektryczne lub pompy ciepła, przeznaczonych do współpracy z klasycznym wodnym ogrzewaniem z zastosowaniem konwencjonalnych grzejników podokiennych, bądź wykorzystanie wodnego ogrzewania podłogowego.

Walka z niską emisją

Oparcie ogrzewnictwa na źródłach wykorzystujących energię elektryczną jest zdecydowanie ekologiczne, bowiem lokalnie, w miejscu ich zainstalowania, skutecznie eliminuje tzw. niską emisję występującą podczas spalania stałych paliw kopalnych. Zwykle niewielkie domowe piece grzewcze, starej konstrukcji, o niskiej efektywności energetycznej, opalane najtańszym węglem kamiennym (szczególnie typu muły i flotokoncentraty), są znaczącym źródłem wspomnianych zanieczyszczeń. Batalia o czyste powietrze w miastach wspierana jest przez eliminowanie z rynku najgorszych gatunków węgla, wprowadzanie pieców nowszej konstrukcji z możliwością choćby najprostszej regulacji przebiegu procesu spalania. Ta niska emisja produktów spalania, głównie w postaci tlenków węgla, siarki i azotu oraz pyłu zawieszonego, jest współodpowiedzialna za powstawanie tzw. smogu. Warto podkreślić, że w przeciwieństwie do ogrzewnictwa zawodowe źródła energii elektrycznej – elektrownie i elektrociepłownie na węgiel kamienny lub brunatny – spełniają określone wysokie wymagania co do jakości spalin.

Działania wspomagające

W dodatku działania promujące stosowanie energii elektrycznej do ogrzewnictwa są wspierane stosownymi tańszymi taryfami antysmogowymi. Na stronach internetowych operatorów znajdują się często kalkulatory pozwalające określić szacunkowy koszt ogrzewania i/lub przygotowania ciepłej wody użytkowej w oparciu o zużywaną energię elektryczną. Kalkulator umożliwia też uwzględnienie wpływu izolacyjności cieplnej budynku (nieocieplony, słabo lub dobrze izolowany cieplnie, energooszczędny, niskoenergetyczny) na koszt jego ogrzewania. Porównawczo można też uzyskać koszt tych samych efektów grzewczych przy wykorzystaniu innych typowych nośników energii.

W przypadku starszych budynków, szczególnie gorzej izolowanych cieplnie, taka kalkulacja może być też podstawą podjęcia działań w kierunku wymiany dotychczas eksploatowanego źródła ciepła, szczególnie na paliwo stałe, o niskiej sprawności energetycznej, zanieczyszczającego powietrze spalinami i stałymi produktami spalania, na nowoczesny system grzewczy zasilany energią elektryczną.

Warto tu jeszcze dodatkowo wspomnieć, że szereg samorządów lokalnych, realizując program „Czyste Powietrze Pomorza”, przewiduje stosowne dofinansowanie takiej zamiany dotychczas użytkowanego systemu grzewczego na nowy, nawet niekoniecznie elektryczny.

Ogrzewanie elektryczne i termomodernizacja

By uzyskać niskie koszty eksploatacji każdego typu źródeł ciepła, przy zachowaniu właściwego komfortu cieplnego w pomieszczeniach, należy przed ich zainstalowaniem przeprowadzić termomodernizację budynku. Termomodernizacja jest inwestycją w kierunku zauważalnego ograniczenia energochłonności istniejących obiektów i stanowi pierwszy oraz najważniejszy krok w kierunku zmniejszenia zużycia energii na ogrzewanie, czyli niższych rachunków za ogrzewanie. Termomodernizacja wykonana zgodnie z zasadami sztuki budowlanej i przeprowadzona kompleksowo, obejmując głównie docieplenie przegród zewnętrznych i wymianę stolarki, może znacznie ograniczyć straty ciepła obiektu nawet o połowę, przy czym czas zwrotu takiej inwestycji za sprawą niższych rachunków wynosi zazwyczaj kilka do maksymalnie kilkunastu lat.

Zwykle w starych budynkach, niepoddanych termomodernizacji, spotykamy się z tzw. (rocznym) wskaźnikiem nakładu energii na ogrzewanie w wysokości ok. 200 kWh/m2 powierzchni ogrzewanej. Jednocześnie budynek nowy musi już spełniać ten wymóg na poziomie ok. 80 kWh/m2. Taka rozpiętość wskaźnika wskazuje na zakres możliwych do uzyskania oszczędności energii zużywanej na ogrzewanie budynku, uzyskanej w wyniku poprawnie przeprowadzonej i kompleksowej termomodernizacji. Istotne obniżenie nakładu energii na ogrzewanie może stanowić poważny, dodatkowy argument na zastosowanie prądu elektrycznego jako nośnika.

Natomiast nowe budynki, wznoszone już jako energooszczędne, scharakteryzowane wskaźnikiem nakładu energii w wysokości ok. 40 kWh/m2, są szczególnie predysponowane do ogrzewania elektrycznego.

Kotły elektryczne

Wspomniane ogrzewanie mogą zapewnić wodne kotły elektryczne najnowszej generacji, które stanowi kocioł c.o. ze sterowaniem pogodowym, zasobnik ciepłej wody, zwykle o pojemności ok. 150÷300 dm3, przeponowe naczynia wzbiorcze c.o. i c.w.u. oraz pozostałą niezbędną armaturę. Urządzenie zajmuje niedużo miejsca, jest estetyczne i łatwe w montażu. Sterowanie pogodowe, dzięki automatycznej reakcji kotła na zmiany temperatury zewnętrznej, zapewnia całkowicie bezobsługową pracę i najbardziej oszczędną eksploatację. Ma elektroniczny układ sterowania i niezawodne półprzewodnikowe elementy załączające. Kocioł posiada automatyczną modulację mocy. Posiada również możliwość współpracy z innym źródłem ciepła (np. z kominkiem z płaszczem wodnym lub innym kotłem).

W przypadku kosztownego (koszty przyłącza gazowego, budowy komina i wkładu kominowego) lub wręcz niemożliwego dostępu do sieci gazowej najlepszym rozwiązaniem pozostaje właśnie kocioł elektryczny. Korzystanie z paliwa stałego jest oczywiście mało komfortowe, a kotły na gaz płynny lub olej opałowy są względnie drogie, szczególnie w eksploatacji. Natomiast każdy budynek, dysponując instalacją elektryczną, przy niewielkich kosztach instalacji kotła elektrycznego, przy dobrze ocieplonym budynku i dodatkowym zastosowaniu akumulacji ciepła, uzyskiwanego energią elektryczną w tańszej grupie taryfie, zapewnia niewysoki koszt ogrzewania kotłem elektrycznym.

Ogrzewanie elektryczne -kocioł elektryczny

Ilustracja z arch. Kospel

Kolejną zaletą wodnego kotła elektrycznego jest wysokie bezpieczeństwo eksploatacji, gdyż jego użytkowanie nie stwarza zagrożenia zaczadzeniem ani wybuchem, czasami występującego przy innych kotłach. Są także komfortowe w użytkowaniu. Wyposażone w odpowiednie sterowanie pracują w pełni automatycznie, a ich obsługa sprowadza się w zasadzie do przestawiania pracy na tryb letni lub zimowy. Eksploatacji kotłów elektrycznych towarzyszą niskie koszty obsługi serwisowej, bowiem praktycznie nie wymagają okresowych przeglądów. Odpadają zatem koszty spowodowane przeglądami instalacji gazowej, kominowej i wentylacyjnej.

W dodatku są niedużymi urządzeniami o estetycznym wyglądzie, które można łatwo powiesić na ścianie praktycznie w dowolnym pomieszczeniu. Ich efektywność energetyczna jest bardzo zbliżona do 100%, bowiem prawie w całości pobraną energię elektryczną kotły zamieniają na ciepło użytkowe.

Pompy ciepła

Często omawianym tematem na łamach „Magazynu Instalatora” są pompy ciepła. Dlatego tutaj ograniczono się jedynie do ich porównania z kotłami elektrycznymi.

Drugie często spotykane konkurencyjne urządzenie elektryczne – pompa ciepła (wszak niebędące źródłem), też w pełni zautomatyzowane, o podobnych walorach do kotła elektrycznego, charakteryzuje się tzw. średnim współczynnikiem efektywności energetycznej na poziomie ok. 3. Oznacza to, że z jednostki napędowej energii elektrycznej uzyskuje się ok. trzy jednostki ciepła, czyli z otoczenia (grunt, woda) dobiera się pozostałe dwie jednostki energii.

Z prostego porównania efektywności energetycznej wynika, że koszt ogrzewania pompą ciepła musi być prawie trzy razy tańszy niż kotłem elektrycznym. Jednak w przypadku pompy ciepła dochodzi konieczność uwzględnienia budowy i utrzymywania tzw. dolnego źródła ciepła umożliwiającego czerpanie bezużytecznej energii z otoczenia. Powoduje to, że dopiero po dłuższym czasie (zwykle co najmniej kilkanaście lat) poniesione wysokie koszty inwestycyjne na zakup pompy ciepła wraz z instalacją jej dolnego źródła ciepła, przy względnie niskich rocznych kosztach eksploatacyjnych, przewyższają ok. trzykrotnie wyższe roczne koszty eksploatacyjne kotła elektrycznego przy jego co najmniej pięciokrotnie niższej cenie inwestycyjnej.

Zaletą powietrznej pompy ciepła, tzn. pompy ciepła czerpiącej energię otoczenia z powietrza atmosferycznego, jest brak rozbudowanego dolnego źródła ciepła, co znacznie obniża koszt inwestycyjny takiej pompy ciepła. Jednak w przypadku jej zastosowania należy się liczyć z tym, że przy niskiej temperaturze otoczenia, już zwykle poniżej 5oC, istotnie spada jej współczynnik efektywności. Efekt ten powoduje znaczne zwiększenie elektrycznej energii napędowej, co zwiększa koszty ogrzewania. Nawet instalując drugie źródło ciepła lub godząc się na dodatkowe ogrzewanie wody instalacyjnej przy pomocy grzałki elektrycznej, nie unikniemy wzrostu kosztów ogrzewania w okresie obniżonej temperatury powietrza w stosunku do pompy ciepła pobierającej energię otoczenia z gruntu lub wody.

Kotły akumulacyjne

Odrębną grupę urządzeń stanowią elektryczne kotły akumulacyjne. Ciekawą możliwością konwersji dotychczasowego źródła ciepła jest zastąpienie kotłów węglowych przez akumulacyjne piece grzewcze bezpośrednio zasilane energią elektryczną, przy założeniu korzystania z tańszej taryfy antysmogowej.

Aktualnie na rynku dostępne są takie właśnie urządzenia grzewcze zdolne do magazynowania ciepła uzyskanego wyłącznie z tańszego prądu, oddawania ciepła w miarę potrzeb użytkowników, przy wykorzystaniu stosownego układu sterowania i regulacji.

Idea stosowania pieców akumulacyjnych polega na tym, że pobierają one energię elektryczną (ładują się) podczas obowiązywania tańszej (nocnej, antysmogowej) taryfy energii elektrycznej, a oddają ciepło przez pozostałe godziny w ciągu doby. Piec akumulacyjny właśnie podczas obowiązywania tańszej taryfy ładuje się, a potem jeszcze przez wiele godzin może oddawać ciepło. Nie musi więc pobierać energii w czasie obowiązywania droższej taryfy.

Piece akumulacyjne dzielimy na urządzenia rozładowania dynamicznego (nowocześniejsze – wspierane nadmuchem wentylatorowym) i statycznego (bez nadmuchu).

Piece dynamiczne

Piece dynamiczne charakteryzują się dużą zdolnością akumulacyjną, bowiem stosowany w nich magnetytowy blok akumulacyjny nagrzewa się do temperatury ok. 700ºC i może oddawać ciepło bez dodatkowego zasilania prądem nawet przez kilkanaście godzin; w kolejnych okresach zasilania ilość energii stanowi różnicę pomiędzy zadanym poziomem załadowania i ilością pozostałą z poprzednich okresów gromadzenia ciepła. Nowoczesna warstwowa izolacja cieplna obudowy pieca istotnie ogranicza niekontrolowane oddawanie ciepła. Zastosowany system pogodowego sterowania zgromadzonym w piecu zapasem ciepła optymalizuje koszty eksploatacji przy zachowaniu komfortu w pomieszczeniach. Wbudowany wentylator uruchamiany przez czujnik temperatury pomieszczenia prawie bezszumnie podaje ciepłe powietrze aż do osiągnięcia założonego poziomu temperatury. Oprócz zastosowania wbudowanych regulatorów termomechanicznych lub elektronicznych bez możliwości programowania czasu pracy istnieje możliwość wyposażenia w dodatkowe zewnętrzne regulatory elektroniczne, z możliwością programowania czasu pracy i poziomu temperatury.

Piece statyczne

Z kolei statyczne piece akumulacyjne gromadzą mniej ciepła niż piece akumulacyjne z dynamicznym rozładowaniem. W praktyce nie ma również możliwości kontrolowania tempa oddawania ciepła, przez co są one rekomendowane do pomieszczeń, w których komfort ogrzewania jest mniej istotny niż utrzymanie niskich kosztów inwestycji. Do osiągnięcia komfortu ogrzewania i relatywnie najniższych kosztów eksploatacyjnych zalecane jest jednak zastosowanie dynamicznych pieców akumulacyjnych.

Statyczne piece akumulacyjne charakteryzują się zdolnością akumulacji ciepła opartej również o magnetytowy blok akumulacyjny, ale nagrzany do temperatury ok. 400oC, dzięki czemu może oddawać ciepło bez dodatkowego zasilania energią przez kilka godzin. Im dłuższy czas od zakończenia ładowania, tym mniej intensywne jest ogrzewanie, którego mechanizm opiera się na promieniowaniu od ciepłej obudowy pieca. Moc elektryczna pieców akumulacyjnych sięga do kilku kilowatów, przy czym do mocy 2 kW można korzystać z prądu jednofazowego.

Podsumowanie

Dokonano przeglądu nowoczesnych źródeł ciepła zasilanych energią elektryczną, takich jak akumulacyjne kotły elektryczne, a także wodne kotły elektryczne lub pompy ciepła, predysponowanych do współpracy z klasycznym wodnym ogrzewaniem. Tego typu urządzenia są szczególnie wskazane do stosowania w tzw. nowym budownictwie, wymagającym wysokiej izolacyjności przegród zewnętrznych, i w dodatku zlokalizowanym na terenie pozbawionym sieci gazoenergetycznej lub ciepłowniczej.

Źródła takie mogą też być instalowane w tzw. starym budownictwie jako wspierane programem pomocowym lokalnego samorządu. W takim przypadku przed wymianą źródła ciepła należy dokonać tzw. termomodernizacji budynku, sprowadzającej się głównie do docieplenia przegród zewnętrznych i ewentualnej wymiany stolarki. Tego typu zabiegi prowadzą do istotnego zmniejszenia dotychczasowych strat ciepła budynku, co wprost prowadzi do odpowiedniego zmniejszenia zapotrzebowania na moc grzejną oraz w konsekwencji zmniejszenia nakładu energii na ogrzewanie, co prowadzi do obniżenia jego kosztów.

Wskazane urządzenia elektryczne powinny być zasilane energią elektryczną rozliczaną wg tzw. tańszej taryfy antysmogowej.

dr inż Piotr Kubski

Fot. główne z arch. Bosch

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij