35

Jacek KALINA
Janusz SKOREK

Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Œl¹ska

Andrzej LATKO

Instytut Elektrotechniki Teoretycznej i Przemys³owej, Politechnika Œl¹ska

PROJEKT DEMONSTRACYJNY RÓD£A CIEP£A
I ENERGII ELEKTRYCZNEJ DLA KOMPLEKSU
BUDYNKÓW
– WYNIKI PROJEKTOWANIA WSTÊPNEGO

Streszczenie. W pracy przedstawiono projekt demonstracyjny

ma³ego skojarzonego Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej dla kompleksu
budynków. W pierwszej czêœci omówiono zagadnienia zwi¹zane z anali-
za potrzeb energetycznych budynków, która by³a kluczowa dla procesu
projektowania Ÿród³a. Nastêpnie przedstawiono procedurê doboru
urz¹dzeñ i wstêpnego projektowania uk³adu wytwórczego. Obiekt zasi-
lany bêdzie gazem ziemnym. Wytwarza³ on bêdzie energie na potrzeby
grupy ró¿nych budynków. Na przyk³adzie tego projektu omówiono pro-
blematykê optymalnego doboru mocy i iloœci urz¹dzeñ Ÿród³a wraz
przedstawieniem wyników obliczeñ. Omówiono g³ówne czynniki wp³y-
waj¹ce na ostateczn¹ postaæ rozwi¹zania technicznego.

DEMONSTRATION PROJECT OF SMALL-SCALE HEAT
AND POWER PLANT FOR GROUP OF BUILDINGS
– RESULTS OF INITIAL DESIGN

Summary. Demonstration project of using the small-scale combined

heat and power modules for group of buildings is presented in this pa-
per. At first the problems of energy demand analysis, which is the key

PRACE IMiUE i ITC POLITECHNIKI ŒL¥SKIEJ

2005

Miêdzynarodowa III Konferencja Naukowo-Techniczna 2005
E N E R G E T Y K A

G A Z O W A

Prof. dr hab. in¿ Janusz SKOREK jest Kierownikiem Zak³adu Termodynamiki i Energety-
ki Gazowej, Instytutu Techniki Cieplnej, a Dr in¿ Jacek KALINA jest adiunktem w ITC,
Politechnika Œl¹ska, 44-101 Gliwice, ul. Konarskiego 22,
e-mail: skorek@itc.polsl.pl, kalina@itc.polsl.pl,
Dr in¿. Andrzej LATKO, Instytut Elektrotechniki Teoretycznej i Przemys³owej, Politechni-
ka Œl¹ska w Gliwicach, 44-101 Gliwice, ul. Akademicka 2, e-mail: andrzej.latko@polsl.pl

point of a cogeneration plant sizing procedure, are being discussed.
Then the planning procedure and results of an initial design of
a small-scale cogeneration plant are presented. The plant is fuelled
with natural gas, and it supplies energy to a group of three different
buildings. Basing on this case the problems of optimal sizing of a small-
scale CHP plant for a building energy supply system are presented and
discussed. Calculation procedures are shown together with the results
of sample analysis. The factors that influences the final configuration
of the system are indicated.

DER DEMONSTRATIONSENTWURF VON WÄRMEQUELLEN UND
QUELLEN DER ELEKTRISCHEN ENERGIE FÜR DEN KOMPLEX
DER GEBÄUDE - ERGEBNISSE EINER VORPLANUNG

Zusammenfassung. In dieser Arbeit stellte man vor der Demon-

strationsentwurf einer kleinen Wärme-Kraft-Kopplungs-Anlage für
den Komplex der Gebäude. In ersten der Teil besprach man Probleme
gebunden mit der Analyse des Energiebedarfs von Gebäude. Man stell-
te vor das Prozessverfahren der Auswahl der Einrichtungen und des
Vorplanung des Erzeugungssystems. Die Anlage wird mit Erdgas ein-
gespeist und kann die Energie auf Bedarf der Gruppe verschiedenen
Gebäuden erzeugt werden. Auf dem Beispiel dieses Projekts besprach
man die Problematik der optimalen Auswahl der Leistung und die
Anzahl der Anlagen samt mit der Vorstellung der Ergebnisse dieser
Berechnungen. Man besprach Hauptfaktoren, die der Einfluss auf die
äußerste Gestalt der technischer Lösung haben.

1. Wprowadzenie

Zak³ad Termodynamiki i Energetyki Gazowej od jesieni 2003 jest zaanga-

¿owany w realizacjê projektu badawczego zatytu³owanego: Wspó³praca
ma³ego, gazowego Ÿród³a kogeneracyjnego z lokalnym uk³adem grzewczym
i sieci¹ elektroenergetyczn¹ z uwzglêdnieniem mo¿liwoœci pracy na wydzielone
odbiory elektryczne. Jest to projekt demonstracyjny wspó³finansowany ze
œrodków KBN w ramach grantu 4 T10B 022 25.

G³ównym celem realizacji projektu badawczego jest opracowanie metodyki,

procedur oraz narzêdzi wspomagaj¹cych projektowanie gazowych uk³adów
kogeneracji rozproszonej, rozwi¹zanie licznych problemów zwi¹zanych
z przy³¹czaniem ma³ych uk³adów skojarzonych do sieci energetycznej oraz
realizacja instalacji demonstracyjnej.

Zakres rzeczowy projektu obejmuje realizacjê Ÿród³a zasilania w ciep³o

i energiê elektryczn¹ grupy obiektów zlokalizowanych w miejscowoœci Pa-
niówki na terenie Gminy Giera³towice. Do grupy tej wchodz¹ istniej¹ce bu-
dynki kompleksu szkolnego oraz projektowana kryta p³ywalnia, przedstawio-

290

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

ne na rys. 1 do 3. Przewidywany termin realizacji inwestycji to rok 2005 a ter-
min oddania obiektu do eksploatacji to rok 2006.

W pierwszym etapie prac przeprowadzono audyt energetyczny w ist-

niej¹cych obiektach i oszacowano potrzeby w zakresie dostaw ciep³a i energii
elektrycznej, oszacowano przebiegi czasowe zmiennoœci mocy cieplnej i elek-
trycznej w czasie, okreœlono roczne wieloœci zu¿ycia poszczególnych noœników
energii. Nastêpnym krokiem by³ wstêpny dobór mocy agregatu kogeneracy-
jengo i kot³ów, zebranie ofert dostawców urz¹dzeñ, przeprowadzenie analizy
ekonomicznej i okreœlenie poziomu op³acalnoœci inwestycji. Po ustaleniu naj-

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

291

Rys. 1. Budynek „starej szko³y” (przeznaczony na CNT) z przyleg³ymi lokalami mieszkalny-

mi (strony pó³nocna i zachodnia)

Rys. 2. Budynek „nowej szko³y” mieszcz¹cy szko³ê podstawow¹ i gimnazjum (elewacja

zachodnia)

korzystniejszych parametrów rozwi¹zania technicznego opracowano schema-
ty po³¹czeñ hydraulicznych i elektrycznych, ustalono lokalizacjê urz¹dzeñ.
Na podstawie przeprowadzonych prac studialnych w dalszej kolejnoœci wyko-
nane zostan¹ projekty wykonawcze instalacji.

Podstawowymi odbiorami zarówno ciep³a jak i energii elektrycznej dla pla-

nowanego Ÿród³a kogeneracyjnego s¹ budynek i urz¹dzenia krytej p³ywalni.
Projektowana powierzchnia ca³kowita obiektu 4300 m

, natomiast kubatura

jest szacowana na oko³o 28 700 m

. Planowany wygl¹d obiektu przedstawiono

na rys. 3.

2. Analiza potrzeb energetycznych obiektów

Dla poprawnego zaprojektowania systemu zasilania wytypowanych obiek-

tów w ciep³o i energiê elektryczn¹ konieczna jest znajomoœæ nie tylko przewi-
dywanych mocy maksymalnych ale równie¿ zmiennoœci w czasie poszczegól-
nych obci¹¿eñ. Znajomoœæ rozk³adu obci¹¿eñ w czasie pozwoli na optymalny
dobór urz¹dzeñ, który zapewni minimalne koszty dostaw noœników energii do
obiektów.

Jak przedstawiono wczeœniej z planowanego Ÿród³a ciep³a i energii elek-

trycznej zasilanych bêdzie kilka odbiorów o ró¿nej charakterystyce zu¿ycia
noœników energii. Odbiorami tymi s¹: nowa szko³a, kuchnia, kot³ownia, stara
szko³a, kryta p³ywalnia – ogrzewanie, kryta p³ywalnia – technologia, oczysz-
czalnia œcieków.

Podkreœliæ nale¿y, ¿e maksymalne zapotrzebowanie mocy elektrycznej

i cieplnej nie stanowi wprost sumy maksymalnych potrzeb poszczególnych od-
biorów. Wynika to z przesuniêæ w czasie okresów maksymalnego wykorzysta-
nia poszczególnych obiektów. Ka¿dy z przedstawionych odbiorów posiada od-
rêbn¹ charakterystykê poboru noœników energii w postaci godzinowych, dobo-

292

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

Rys. 3. Projekt krytej p³ywalni w Paniówkach

wych i sezonowych zmian wymaganej mocy. Dopiero po zsumowaniu mocy
wystêpuj¹cych na poszczególnych wykresach zmiennoœci obci¹¿eñ w danej
chwili mo¿na okreœliæ sumaryczne obci¹¿enie systemu wytwórczego, jak rów-
nie¿ oszacowaæ rzeczywiste moce maksymalne. Wynika st¹d koniecznoœæ
przeprowadzenia kompleksowej analizy dla wszystkich obiektów oraz dobra-
nia urz¹dzeñ na podstawie przewidywanych dobowych wykresów zmiennoœci
obci¹¿eñ.

G³ówne problemy w ocenie zmiennoœci w czasie zapotrzebowania na ciep³o

i energiê elektryczn¹ wynika³y z faktu, ¿e obiekt krytej p³ywalni jeszcze nie
istnieje i jest obecnie w fazie projektów, a z kolei w istniej¹cych budynkach
szkó³ nie jest prowadzony monitoring zu¿ycia energii. St¹d te¿ w celu oceny
zmiennoœci w czasie zapotrzebowania mocy cieplnej i elektrycznej pos³u¿ono
siê nastêpuj¹cymi technikami:
– zagêszczone odczyty liczników energii elektrycznej w budynku nowej

szko³y z krokiem czasu 1 godzina,

– zmiennoœæ zu¿ycia ciep³a oraz roczne zu¿ycie ciep³a w budynkach szkol-

nych oszacowano na podstawie danych konstrukcyjnych oraz danych
o zmiennoœci temperatury zewnêtrznej w miejscu lokalizacji obiektu,

– weryfikacji oszacowanego zu¿ycia ciep³a w budynkach szkó³ dokonano na

podstawie analizy iloœci spalonego paliwa i analizy sposobu pracy kot³owni
wêglowej,

– do oceny dobowej zmiennoœci obci¹¿enia cieplnego przyjêto z literatury

bezwymiarowe wykresy modelowe opracowane dla budynków szkó³,

– maksymalne zapotrzebowanie ciep³a i energii elektrycznej na potrzeby

krytej p³ywalni przyjêto na podstawie danych projektowych,

– dla oceny rzeczywistej zmiennoœci obci¹¿eñ przeprowadzono pomiary na

obiektach podobnych (g³ównie kryta p³ywalnia w Paw³owicach),

– wykorzystano dane historyczne o zu¿yciu noœników energii na krytej

p³ywalni w Paw³owicach za okres ca³ego roku 2003 w uk³adzie dobowym.

– opracowano bezwymiarowe modele dobowej zmiennoœci obci¹¿eñ w po-

szczególnych obiektach,

– opracowano sumaryczne wykresy uporz¹dkowane zapotrzebowania ciep³a

i energii elektrycznej.

Pomiary zu¿ycia energii elektrycznej w szko³ach wykaza³y, ¿e zdecydowa-

nie wy¿sze obci¹¿enie wystêpuje sezonie grzewczym. Na przebiegach dobo-
wych wykresów obci¹¿enia w sezonie grzewczym wystêpuj¹ wyraŸne szczyty
poborów godzinach: 9÷13. Im bli¿ej koñca sezonu grzewczego tym bardziej za-
nika regularnoœæ przebiegów zmiennoœci obci¹¿enia. Zmierzone elektryczne
moce szczytowe w sezonie grzewczym mieœci³y siê w przedziale 70÷100 kW.
Najwy¿szy udzia³ w obci¹¿eniu elektrycznym ma kot³ownia, co w du¿ym stop-
niu spowodowane jest z prac¹ elektrycznego kot³a ciep³ej wody u¿ytkowej.
Poza sezonem grzewczym obci¹¿enie elektryczne poni¿ej 10 kW, po odjêciu

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

293

udzia³u kot³owni (udzia³ kot³owni w ca³kowitym obci¹¿eniu wynosi powy¿ej
0,8).

Na rysunkach 4, 5 i 6 modele przedstawiono przyk³adowe bezwymiarowe

modele dobowej zmiennoœci obci¹¿enia elektrycznego g³ównych odbiorów
w sezonie grzewczym.

294

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

Rys. 4. Rozk³ad obci¹¿enia na liczniku „szko³a” – model bezwymiarowy

Rys. 5. Rozk³ad obci¹¿enia na liczniku „kuchnia” – model bezwymiarowy

Dla oceny dobowej zmiennoœci zapotrzebowania na ciep³o w szko³ach wyko-

rzystano bezwymiarowy model zmiennoœci obci¹¿eñ przedstawiony w litera-
turze. Model ten przedstawiono na rys. 7, 8 i 9. Dla oszacowania przy pomocy
modelu rzeczywistej zmiennoœci obci¹¿enia w uk³adzie wymiarowym koniecz-
na jest znajomoœæ jedynie ca³kowitego rocznego zu¿ycia ciep³a.

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

295

Rys. 6. Rozk³ad obci¹¿enia na liczniku „kot³ownia” – model bezwymiarowy

Rys. 7. Zmiennoœæ zapotrzebowania ciep³a w uk³adzie miesiêcznym

Do oszacowania zapotrzebowania ciep³a i energii elektrycznej przez projek-

towany obiekt krytej p³ywalni, wykorzystano dane pomiarowe pochodz¹ce
z dzia³aj¹cej krytej p³ywalni w Paw³owicach. Obiekt w Paw³owicach zosta³ za-
projektowany przez to samo biuro architektoniczne. Od p³ywalni w Paniów-

296

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

Rys. 8. Zmiennoœæ zapotrzebowania ciep³a w uk³adzie tygodniowym

Rys. 9. Zmiennoœæ zapotrzebowania ciep³a w uk³adzie godzinowym

kach ró¿ni siê on nieco kubatur¹ a tak¿e iloœci¹ dodatkowych atrakcji wod-
nych. Ogólnie jednak s¹ to obiekty podobne zarówno pod wzglêdem funkcjo-
nalnym jaki lokalizacyjnym. Charakterystyka obiektu w Paw³owicach przed-
stawia siê nastêpuj¹co:

Kubatura

18300

Powierzchnia ca³kowita

3584,5

Zainstalowane moce wymienników

1190

– w tym c.w.u.

175

– w tym technologia

392

– w tym went i klima

623

Zamówiona moc cieplna

550

Zamówiona moc elektryczna

125

Maksymalna iloœæ osób korzystaj¹cych z basenu

110

osób/godzinê

Godziny otwarcia krytej p³ywalni

od 7:00 do 22:00

Taryfa op³at za energiê elektryczn¹

C21

Obiekt w Paw³owicach zasilany jest w ciep³o z lokalnej ciep³owni. Woda do-

prowadzana jest do g³ównego kolektora, sk¹d kierowana jest do poszczegól-
nych odbiorów. Parametry sieci cieplnej to 130/70

C. Zu¿ycie ciep³a mierzone

jest przez rozliczeniowy uk³ad pomiarowy. Roczne zu¿ycie ciep³a zmierzone
w roku 2003 wynios³o:
– Ca³kowite zu¿ycie ciep³a:

3843,4 GJ/rok

– Ca³kowite zu¿ycie energii elektrycznej:

507645 kWh/rok

– Œrednia roczna moc elektryczna:

58 kW (z pomiarów)

– Œrednia roczna moc cieplna:

120 kW (z pomiarów)

Ze wzglêdu na podobieñstwo konstrukcyjnie do planowanego obiektu w Pa-

niówkach uznano, ¿e basen w Paw³owicach stanowiæ on bêdzie obiekt odnie-
sienia dla oceny zapotrzebowania na ciep³o i energiê elektryczn¹ i jego zmien-
noœci w czasie.

Pomiary w Paw³owicach wykonano korzystaj¹c z istniej¹cych uk³adów roz-

liczeniowych. Przyk³adowy dobowy przebieg obci¹¿enia elektrycznego basenu
przedstawiono na rysunku 10.

Po analizie statystycznej przeprowadzonych pomiarów wykreœlono rozk³ad

czêstoœci wystêpowania mocy z danego przedzia³u (rys. 11).

W ocenie zapotrzebowania na ciep³o wykorzystano odczyty liczników ciep³a

za rok 2003 w uk³adzie dobowym. Odczyty dokonywane s¹ codziennie przez
obs³ugê obiektu. Ponadto przeprowadzono pomiary specjalne polegaj¹ce na

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

297

298

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

Rys. 10. Dobowy przebieg mocy pozornej uœredniony na podstawie pomiarów

Rys. 11. Rozk³ad czêstoœci wystêpowania mocy z danego przedzia³u na podstawie pomiarów

odczytach mocy oraz iloœci ciep³a z uk³adu pomiarowego z krokiem czasu 15
minut. Ze wzglêdu na fakt, ¿e uk³ad nie posiada systemu rejestracji danych,
pomiary prowadzono manualnie w wybranych dniach roku (po jednym dniu
na typowy okres roku: zima/okres przejœciowy/lato).

Przyk³adowe wyniki pomiarów dobowej zmiennoœci obci¹¿enia cieplnego

przedstawiono na rysunkach 12 i 13. Pomiary pokaza³y, ¿e przebieg wykre-
sów dobowej zmiennoœci zapotrzebowania ciep³a jest silnie zale¿ny od pory
roku i pracy uk³adu technologicznego. Zasilanie obiektu z sieci zewnêtrznej
czynnikiem o stosunkowo wysokich parametrach pozwoli³o na dobór du¿ych
mocy wymienników, przez co praca uk³adu ma wyraŸnie charakter okresowy.
Wynika to z faktu, ¿e basen jest obiektem o stosunkowo du¿ej bezw³adnoœci
cieplnej st¹d te¿ dla utrzymania sta³ej temperatury wody nie jest konieczne
ci¹g³e jej podgrzewanie. Przy du¿ej mocy wymienników mo¿liwe jest stosun-
kowo szybkie dogrzanie wody w chwilach, gdy jest to wymagane. Szczególnie
w okresie poza sezonem grzewczym da siê zaobserwowaæ przedzia³y czasu,
w których ciep³o nie jest zu¿ywane wcale.

Istotn¹ cech¹ charakterystyczn¹ poboru ciep³a do technologii basenu jest

to, ¿e znaczny udzia³ zu¿ycia ciep³a przypada na okres nocny, gdy obiekt nie
jest u¿ytkowany. Wynika z faktu, ¿e w nocy prowadzone s¹ wszystkie najwa-
¿niejsze procesy technologiczne:

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

299

Rys. 12. Przyk³adowy wykres dobowej zmiennoœci poboru mocy cieplnej do c.o., c.w.u. i wen-

tylacji

– przegrzewy sanitarne,

– wymiana wody basenowej,

– uzupe³nienie wod¹ œwie¿¹,

– czyszczenie filtrów.

Taki charakter rozbioru ciep³a pozwoli na obni¿enie mocy maksymalnej

planowanego uk³adu wytwórczego, gdy¿ czasy wystêpowania mocy szczyto-
wych w szkole i w obiekcie basenu nie pokrywaj¹ siê.

W celu okreœlenia ca³kowitego obci¹¿enia planowego uk³adu wytwórczego

ciep³a i energii elektrycznej opracowano przewidywane wykresy dobowe
zmiennoœci obci¹¿eñ dla okresu ca³ego roku. Do sporz¹dzenia tych wykresów
wykorzystano dane pomiarowe oraz opracowane modele bezwymiarowe
zmiennoœci obci¹¿eñ.

W ostatnim etapie, dla ustalenia mocy maksymalnych, minimalnych oraz

obszaru

poszukiwañ

mo¿liwej

mocy

urz¹dzeñ,

sporz¹dzono

wykresy

uporz¹dkowane obci¹¿enia cieplnego i elektrycznego. Przedstawiono je na ry-
sunkach 14 oraz 15.

Z wykresów uporz¹dkowanych zapotrzebowania noœników energii odczyta-

no nastêpuj¹ce informacje:
– Roczne zu¿ycie ca³kowite energii elektrycznej:

763138 kWh

– Roczne zu¿ycie ca³kowite ciep³a:

7327 GJ

300

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

Rys. 13. Dobowa zmiennoœæ poboru mocy cieplnej do technologii basenu

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

301

Rys. 14. Przewidywany wykres uporz¹dkowany zapotrzebowania mocy elektrycznej

Rys. 15. Przewidywany wykres uporz¹dkowany zapotrzebowania mocy cieplnej

– Maksymalna wymagana moc elektryczna:

178 kW

– Œrednia moc elektryczna:

87 kW

– Maksymalna wymagana moc cieplna:

1217 kW

– Œrednia moc cieplna:

232 kW

Wstêpn¹ analizê optymalizacyjn¹ oraz dobór urz¹dzeñ do planowanego

Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej przeprowadzono wykorzystuj¹c dobowe
wykresy zmiennoœci obci¹¿enia cieplnego i elektrycznego.

Uproszczony schemat planowanego uk³adu energetycznego przedstawiono

na rys. 16. Za³o¿ono, ¿e podstawowymi elementami sk³adowymi bêd¹ kot³y
gazowe, modu³ kogeneracyjny z silnikiem gazowym, ch³odnica wentylatoro-
wa. W analizie wstêpnej nie dobierano zasobnika ciep³a, chocia¿ jego instala-
cjê przewiduje siê w uk³adzie (g³ównie ze wzglêdu na okresowoœæ poboru
ciep³a).

302

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

Rys. 16. Elektrociep³ownia (CHP – modu³ kogeneracyjny, B – kocio³ gazowy; VC – ch³odni-

ca wentylatorowa, HA – zasobnik ciep³a, G – generator)

Przyjêto parametry obliczeniowe gor¹cej wody wytwarzanej w uk³adzie

równe 90/70

C. Parametry te s¹ typowe zarówno dla kot³owni gazowych jak

i uk³adów kogeneracyjnych z silnikami t³okowymi. Energia elektryczna wy-
twarzana w uk³adzie przez rozdzielniê g³ówn¹ bêdzie kierowana b¹dŸ do od-
biorców b¹dŸ te¿ do sieci elektroenergetycznej zak³adu energetycznego.
W przypadku niedoborów energii elektrycznej z agregatu, bêdzie ona pobiera-
na z sieci elektroenergetycznej.

Wstêpny dobór urz¹dzeñ przeprowadzono przyjmuj¹c jako kryterium dobo-

ru maksymalny efekt ekonomiczny projektu po 15 latach eksploatacji. Miar¹
tego efektu jest wartoœæ bie¿¹ca netto (NPV). Ostatecznie funkcjê celu w pro-
cedurze optymalizacji mo¿na uj¹æ równaniem:

NPV =

(1 + r)

– J

max

i=1

∑

→

(1)

gdzie:

– przep³ywy finansowe w kolejnym roku t,

N – za³o¿ony czas eksploatacji uk³adu (ekonomiczny czas ¿ycia),

– pocz¹tkowe nak³ady inwestycyjne,

r – stopa dyskonta.

Funkcja celu jest ograniczona licznymi parametrami technicznymi oraz

ekonomicznymi. Schemat prowadzenia obliczeñ przedstawiono na rys. 17.

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

303

Rys. 17. Schemat blokowy procedury optymalizacyjnej

W ka¿dej chwili pracy uk³adu spe³niony jest bilans energii, który wyra¿a

nastêpuj¹ca zale¿noœæ:

PW + N

= N

– ( – 1)N + Q

+ Q

str

(2)

gdzie:

&PW

– strumieñ energii chemicznej paliwa,

– moc elektryczna pobierana z sieci,

– moc elektryczna wymagana w odbiorach,

– moc elektryczna sprzedawana do sieci,

δ – zmienna binarna (0,1)

– ciep³o wymagane w odbiorach,

str

– strata ciep³a do otoczenia,

Poszczególne pozycje bilansu (2) zosta³y obliczone wed³ug nastêpuj¹cych

zale¿noœci:

+ N

+ (

1)N

CHPi

i=1

k=1

CHP

∑

δ –

–

(3)

– &

+ Q

CHPi

i=1

j=1

str

CHP

∑

∆

(4)

PW =

(PW )

i=1

CHPi

j=1

CHPi

E_ CHP

CHP

∑

i=1

Ekj

j=1

CHP

∑

(5)

gdzie:

CHPi

– moc elektryczna i-tego modu³u CHP,

– moc elektryczna j-tego odbioru potrzeb w³asnych uk³adu,

CHPi

– moc cieplna i-tego modu³u CHP,

– moc cieplna j-tego kot³a,

– ciep³o z zasobnika (wartoœæ ujemna oznacza ³adowanie zasobnika),

∆Q – niedobór ciep³a,

– sprawnoœæ energetyczna

Dla modu³u skojarzonego moc cieplna i elektryczna zwi¹zane s¹ wskaŸni-

kiem skojarzenia

σ który stanowi, poza sprawnoœci¹, jeden z parametrów cha-

rakteryzuj¹cych urz¹dzenie:

CHPi

(6)

304

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

Minimalna wartoœæ wskaŸnika skojarzenia jest ograniczona maksymaln¹

wydajnoœci¹ ciepln¹ silnika gazowego.

Poszczególne parametry charakteryzuj¹ce modu³ kogeneracyjny (

E_CHP

, )

s¹, jak za³o¿ono na podstawie analizy danych statystycznych [3], funkcj¹ jego
mocy elektrycznej znamionowej. W obliczeniach wstêpnego doboru urz¹dzeñ
wykorzystano dane statystyczne o parametrach technicznych urz¹dzeñ w
funkcji mocy znamionowej. Dla oceny efektywnoœci energetycznej urz¹dzeñ
przy pracy pod czêœciowym obci¹¿eniem wykorzystano uogólnione charakte-
rystyki modu³ów kogeneracyjnych z silnikami t³okowymi i kot³ów gazowych.

Przyjêto, ¿e praca urz¹dzeñ odbywa siê wy³¹cznie w zakresie obci¹¿eñ do-

puszczalnych, tj. miêdzy dopuszczalnym minimum technicznym a obci¹¿e-
niem znamionowym:

)

CHPi

nom

)

min

≤

(7)

)

Kj min

Kj nom

≤

(8)

Nie zak³adano mo¿liwoœci przeci¹¿eñ.
W przypadku, gdy lokalny uk³ad wytwórczy musi zaspokoiæ równolegle wy-

stêpuj¹ce obci¹¿enie cieplne i elektryczne, mo¿e wyst¹piæ 9 sytuacji stosun-
ków mocy wytwarzanych i mocy wymaganych w uk³adzie. Sposób, w jaki
uk³ad przeniesie chwilowe obci¹¿enie cieplne i elektryczne mo¿e znacz¹co
wp³yn¹æ na efektywnoœæ ekonomiczn¹ projektu. St¹d te¿ jednym z parame-
trów, definiowanych jako niezale¿ny na etapie planowania uk³adu, jest tryb
jego pracy. Ogólnie mo¿liwych jest kilka trybów pracy, których jako typowe
mo¿na wyró¿niæ:
1) electricity tracking (ET) – praca po krzywej obci¹¿enia elektrycznego, moc

cieplna jest tu wynikowa, niedobory ciep³a wytwarzane s¹ w kot³ach, nad-
wy¿ki ciep³a rozpraszane s¹ w otoczeniu, nie ma nadwy¿ek energii elek-
trycznej, niedobory energii elektrycznej pobierane s¹ z sieci,

2) heat tracking (HT) – praca po krzywej zapotrzebowania na ciep³o, moc

elektryczna jest tu wynikowa, niedobory ciep³a wytwarzane s¹ w kot³ach,
nie ma nadwy¿ek ciep³a, niedobory energii elektrycznej pobierane s¹ z sie-
ci, nadwy¿ki energii elektrycznej kierowane s¹ do sieci,

3) full load (FL) – modu³ kogeneracyjny pracuje pod obci¹¿eniem znamiono-

wym bez wzglêdu na chwilowe zapotrzebowanie ciep³a i energii elektrycz-
nej w obiekcie, nadwy¿ki energii elektrycznej kierowane s¹ do sieci, nad-
wy¿ki ciep³a rozpraszane s¹ w otoczeniu.

Ka¿dy z przedstawionych trybów pracy mo¿e zostaæ zrealizowany przy za-

stosowaniu standardowych uk³adów automatyki stosowanych w modu³ach
kogeneracyjnych.

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

305

Wstêpna optymalizacja doboru urz¹dzeñ zosta³a przeprowadzona z zasto-

sowaniem metody przeszukiwania zbioru dopuszczalnych rozwi¹zañ, zgodnie
ze schematem przedstawionym na rys. 17. Analizê symulacyjn¹ pracy obiek-
tu przy zmiennym obci¹¿eniu cieplnym i elektrycznym wykonano metod¹ „go-
dzina po godzinie” dla okresu ca³ego roku. Obliczenia wykonano przy pomocy
arkusza kalkulacyjnego Excell, gdzie poszczególne kolumny reprezentowa³y
pozycje równañ bilansu energii, wiersze z kolei reprezentowa³y czas (kolejne
godziny roku). Po wykonaniu obliczeñ analizy energetycznej obliczano roczne
przep³ywy finansowe zwi¹zane z danym wariantem konfiguracji oraz wskaŸ-
niki op³acalnoœci projektu w stosunku do uk³adu gospodarki rozdzielonej.

3. Wstêpny dobór urz¹dzeñ

Jako przypadek odniesienia przyjêto instalacjê kot³ów gazowych oraz za-

kup ca³oœci energii elektrycznej z sieci. Ze wzglêdu na znaczn¹ dynamikê
zmian obci¹¿enia cieplnego krytej p³ywalni, sterowane rêcznie istniej¹ce
kot³y wêglowe nie s¹ odpowiednimi urz¹dzeniami do zasilania obiektu w cie-
p³o. W okresie zimowym wymagana bêdzie praca wszystkich zainstalowa-
nych jednostek pod pe³nym obci¹¿eniem co znacznie zwiêkszy wymagania
obs³ugi uk³adu. Ponadto zawansowany wiek kot³ów i urz¹dzeñ pomocniczych
(g³ównie wentylatorów) stwarza niebezpieczeñstwo zwiêkszonej usterkowoœci
uk³adu. St¹d te¿ w wariancie bazowym projektu przyjêto, zgodnie z ustalenia-
mi dokonanymi na spotkaniach roboczych w Urzêdzie Gminy Giera³towice, ¿e
w kot³y wêglowe zostan¹ wymienione na gazowe.

Dobieranie uk³adów grzewczych dla szczytowego zapotrzebowania ciep³a

powoduje, ¿e uk³ady te s¹ znacznie przewymiarowane. W przypadku gdy do-
datkowo nie jest zapewniona modu³owa konfiguracja uk³adu, Ÿród³a ciep³a
pracuj¹ w wiêkszoœci pod niepe³nym obci¹¿eniem a co za tym idzie z obni¿on¹
sprawnoœci¹. W przypadku modu³owej budowy systemu (kilka Ÿróde³) czêœæ
z nich pracuje jedynie w krótkim okresie w roku. Zawy¿one zostaj¹ równie¿
nak³ady inwestycyjne. Ogólnie mo¿na stwierdziæ, ¿e powszechnie stosowany
sposób projektowania Ÿróde³ ciep³a dla obiektów nie prowadzi do optymal-
nych efektów energetycznych i ekonomicznych.

W pracy zaproponowano instalacjê kot³ów gazowych o mocy mniejszej ni¿

wynika to z sumy mocy szczytowych w poszczególnych obiektach, co wynika z
rozwa¿añ przedstawionych w punkcie 2. Jako dane o zmiennoœci potrzeb
cieplnych wykorzystano wykres uporz¹dkowany (rys. 15) przy czym nie do-
bierano kot³ów na moc maksymaln¹. Dopuszczono wyst¹pienie krótko-
trwa³ego niedogrzania obiektu. Zaproponowano 3 kot³y gazowe o mocy ca³ko-
witej 900 kW (moc mniejsza od wymaganej mocy szczytowej, ze wzglêdu na
krótki czas wystêpowania obci¹¿eñ szczytowych). Zainstalowane zostan¹ jed-

306

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

nostki o mocach odpowiednio 350, 350 oraz 200 kW. Za³o¿ono, ¿e kot³y gazowe
zainstalowane zostan¹ w istniej¹cej kot³owni w miejsce zdemontowanych jed-
nostek wêglowych.

Cenê zakupu gazu ziemnego oceniono na podstawie taryfy gazowej Górno-

œl¹skie Spó³ki Gazownictwa Sp. z o.o. Zgodnie z t¹ taryf¹ obiekt zakwalifiko-
wano do grupy taryfowej W6. W przypadku instalacji jedynie kot³owni gazo-
wej jednostkow¹ cenê paliwa gazowego oszacowano na 0,796 PLN/Nm

(0,971

z VAT).

Ceny zakupu energii elektrycznej oszacowano wg taryfy Górnoœl¹skiego

Zak³adu Elektroenergetycznego (GZE) odpowiednio:
– kryta p³ywalnia (taryfa C21): 328,67 PLN/MWh

– szko³y (taryfa C11):

336,17 PLN/MWh.

Wyniki analizy technicznej i ekonomicznej dla wariantu doniesienia przed-

stawiono w tablicy 1.

Tablica 1

Wyniki analizy technicznej i ekonomiczne dla wariantu odniesienia

Lp.

Wielkoœæ

Jednostka

Wartoœæ

Iloœæ ciep³a wytworzonego w kot³owni

GJ/a

7272

Niedobór ciep³a

GJ/a

Iloœæ energii elektrycznej z sieci

kWh/a

763 167

Iloœæ spalonego gazu ziemnego

230 871

Œrednia roczna sprawnoœæ kot³owni gazowej

90.7

Ca³kowity koszt energii elektrycznej

PLN/a

251 985

Ca³kowity koszt zakupu gazu ziemnego

PLN/a

183 750

Szacowany nak³ad inwestycyjny

PLN

466 540

NPV po 15 latach eksploatacji

PLN

–3 463 600

Podkreœliæ nale¿y, ¿e w przypadku rezygnacji z modernizacji istniej¹cej

kot³owni wêglowej nale¿y zapewniæ dostawy ciep³a dla obiektu krytej p³ywal-
ni. W przypadku koniecznoœci instalacji dodatkowych kot³ów gazowych nale-
¿y mieæ na uwadze, ¿e dla Spó³ki Gazowniczej op³acalnoœæ wykonania przy-
³¹cza (ok. 1,5 km ruroci¹gu) uzale¿niona jest od mocy zamówionej oraz rocz-
nej iloœci zu¿ywanego gazu. Mo¿na stwierdziæ, ¿e przy instalacji jedynie rezer-
wowego Ÿród³a ciep³a inwestycja by³aby nieop³acalna.

Warianty konfiguracji uk³adu przeanalizowane w przypadku instalacji

agregatu z silnikiem gazowym przedstawiono w tablicy 2.

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

307

Tablica 2

Wytypowane warianty konfiguracji uk³adu z gazowym silnikiem t³okowym

Wielkoœæ

Numer wariantu

CHP

100

110

120

130

140

CHP

112

128

143

158

173

188

203

218

232

350

330

300

350

300

285

275

260

250

240

160

140

170

155

140

150

140

Za³o¿ono, ¿e zainstalowany zostanie pojedynczy modu³ skojarzony z silni-

kiem gazowym. Na decyzjê tak¹ mia³y wp³yw dwa podstawowe czynniki:
– moc cieplna wymagana w obiekcie jest znacznie wy¿sza od mocy elektrycz-

nej, st¹d, przy stosunkowo niskiej cenie sprzeda¿y energii elektrycznej do
sieci, agregat zostanie dobrany na moc elektryczn¹,

– stosunkowo stabilny przebieg zmiennoœci zapotrzebowania na moc elek-

tryczn¹ zapewniaj¹cy d³ugi czas pracy agregatu w zakresie obci¹¿eñ do-
puszczalnych.

Minimalne dopuszczalne obci¹¿enie agregatu do pracy ci¹g³ej przyjêto na

poziomie 40% moc znamionowej. Wyniki analizy technicznej przedstawiono
na rys. 18 do 21. W trybie pracy ET nie wystêpuje sprzeda¿ energii elektrycz-

308

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

Rys. 18. Produkcja i sprzeda¿ energii elektrycznej w poszczególnych wariantach konfigu-

racji uk³adu

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

309

Rys. 19. Strata ciep³a do otoczenia w poszczególnych wariantach konfiguracji uk³adu

Rys. 20. Sprawnoœæ energetyczna modu³u CHP w poszczególnych wariantach konfiguracji

uk³adu

nej do sieci, co powoduje, ¿e przy wy¿szych mocach elektrycznych roczna pro-
dukcja energii elektrycznej jest mniejsza ni¿ w trybie pracy FL. Z drugiej
strony w trybie ET wystêpuje mniejsza strata ciep³a do otoczenia ni¿ w trybie
FL.

W trybach pracy HT i FL wyst¹pi sprzeda¿ nadwy¿ek energii elektrycznej

do sieci zewnêtrznej. Cenê sprzeda¿y nadwy¿ek energii elektrycznej do sieci
przyjêto zgodnie z deklaracjami GZE jako równ¹ 140 PLN/MWh. Na rys. 22
przedstawiono wyniki analizy op³acalnoœci projektu w poszczególnych wa-
riantach konfiguracji uk³adu przy ró¿nych trybach pracy modu³u kogenera-
cyjnego.

Analizê ekonomiczn¹ przeprowadzono przy nastêpuj¹cych za³o¿eniach:

1) Wszystkie ceny uwzglêdnione w obliczeniach nie zawieraj¹ podatku VAT.
2) Obliczenia wykonano w z³otych polskich (PLN).
3) Jako rok rozpoczêcia realizacji inwestycji przyjêto rok 2005.
4) WskaŸnik zu¿ycia w³asnej energii elektrycznej w uk³adach z silnikiem ga-

zowym wynosi 2% produkcji brutto.

5) Obecnie w kot³owni wêglowej zatrudnionych jest trzech palaczy. Nie

zak³adano zmiany stanu zatrudnienia oraz zwi¹zanych z nim kosztów oso-
bowych.

310

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

Rys. 21. Sprawnoœæ ca³kowita uk³adu (modu³ CHP i kot³y) w poszczególnych wariantach

konfiguracji

6) Wszystkie pozycje w arkuszach obliczeniowych s¹ przypisywane do dnia

31 grudnia poszczególnych lat obliczeniowych.

7) WskaŸnik zu¿ycia w³asnej energii elektrycznej w uk³adach z turbin¹ ga-

zow¹ i silnikiem gazowym wynosi 2% produkcji brutto.

8) Przyjêto liniow¹ metodê amortyzacji.
9) Przyjêto udzia³ w³asny inwestora w finansowaniu przedsiêwziêcia na po-

ziomie 20% wymaganych nak³adów inwestycyjnych. Pozosta³a wymaga-
na czêœæ nak³adów inwestycyjnych pokryta zostanie z kredytu komercyj-
nego o stopie procentowej 10% w skali roku.

10) Nie zak³adano dotacji w finansowaniu projektu.
11) Czas sp³aty kredytu przyjêto 5 lat.
12) Nie zak³adano okresu karencji w sp³acie kredytu.
13) Czas budowy obiektu przyjêto 1 rok.
14) WskaŸnik inflacji przyjêto na poziomie 2%/rok.
15) Obliczeniow¹ stopê dyskonta dla przyjêtego wariantu finansowania wy-

znaczono jako równ¹ 7,25%.

16) W obliczeniach uwzglêdniono wskaŸniki realnego wzrostu cen energii

elektrycznej.

17) Nie uwzglêdniono wskaŸników realnego wzrostu cen paliwa.
18) Wartoœæ 1 EURO w chwili wykonywania wynosi³a analiz 4,64 PLN.

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

311

Rys. 22. Wyniki wstêpnej analizy op³acalnoœci projektu w ró¿nych wariantach mocy

modu³u z silnikiem gazowym

19) Wartoœæ 1 USD w chwili wykonywania wynosi³a analiz 3,85 PLN.

20) Nie uwzglêdniono dodatkowych przychodów wynikaj¹cych z mo¿liwoœci

odsprzeda¿y istniej¹cych kot³ów wêglowych.

21) W przypadku nowych urz¹dzeñ, przyjêto, ¿e koszty czêœci zamiennych,

materia³ów i surowców nieenergetycznych zostan¹ ujête w postaci rocz-
nych odpisów na remonty kapitalne, bie¿¹ce i planowe. Wartoœæ rocznych
odpisów przyjêto równ¹ 3% pocz¹tkowych nak³adów inwestycyjnych.

Obliczenia pokaza³y, ¿e projekt zak³adaj¹cy instalacjê gazowego modu³u

kogeneracyjnego z silnikiem t³okowym mo¿e byæ op³acalny w stosunku do go-
spodarki rozdzielonej. Zakres mocy elektrycznej agregatu, w którym spodzie-
wane jest uzyskanie najkorzystniejszych wskaŸników op³acalnoœci projektu
wynosi 110–120 kW.

Uk³ady mniejszych mocy s¹ mniej op³acalne ze wzglêdy na ni¿sz¹ spraw-

noœæ i wy¿szy wymagany nak³ad jednostkowy. Uk³ady wiêkszych mocy s¹
mniej op³acalne ze wzglêdu na straty ciep³a do otoczenia, skrócenie czasu pra-
cy agregatu (ograniczenie minimalnym dopuszczalnym obci¹¿eniem) oraz
stosunkowo nisk¹ cenê sprzeda¿y nadwy¿ek energii elektrycznej do sieci.

Najkorzystniejszym trybem pracy uk³adu kogeneracyjnego jest tryb pracy

zgodny z zapotrzebowaniem na energiê elektryczn¹ (ET).

Wariant optymalny charakteryzuje siê roczn¹ strat¹ ciep³a do otoczenia na

poziomie 700 GJ/rok co odpowiada oko³o 10% ca³kowitego zapotrzebowania
ciep³a w obiekcie. St¹d te¿ nale¿y rozwa¿yæ instalacjê zasobnika ciep³a. Mo¿e
to wp³yn¹æ na poprawê efektywnoœci ekonomicznej projektu.

Tryb pracy zgodny z zapotrzebowaniem na energiê elektryczn¹ przynosi

korzystniejszy efekt ekonomiczny ni¿ tryb pracy pe³n¹ moc¹. Wynika to ze
stosunkowo niskiej ceny sprzeda¿y nadwy¿ek energii elektrycznej do sieci,
przy której nie jest op³acalna praca agregatu wy³¹cznie w celu produkcji mocy
elektrycznej, bez odbioru ciep³a.

W dalszej czêœci pracy przeprowadzono dok³adn¹ analizê ekonomiczn¹ dla

konkretnych urz¹dzeñ zaproponowanych do instalacji w uk³adzie. Po prze-
prowadzeniu analizy wstêpnej rozpisano zapisania ofertowe do potencjalnych
dostawców urz¹dzeñ oraz wykonawców robót. W zakresie mo¿liwoœci dostaw
agregatu kogeneracyjnego uzyskano oferty 6 firm: TEDOM, ELTECO, CES,
GESCO, KWE oraz Viessmann i Buderus. Na rysunku 23 przedstawiono ze-
stawienie jednostkowych nak³adów inwestycyjnych na uk³ady z silnikiem
t³okowym wed³ug otrzymanych ofert. Podkreœliæ nale¿y, ¿e poszczególne ofer-
ty ró¿ni³y siê od siebie zakresem dostawy. Niemniej jednak ceny ofertowe
uznano za wy¿sze od podawanych w informacjach literaturowych dla tego za-
kresu mocy.

312

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

4. Analiza techniczno-ekonomiczna wybranych

wariantów rozwi¹zania technicznego

W kolejnym etapie prac przeprowadzono bardziej szczegó³ow¹ analizê eko-

nomiczn¹ wybranych wariantów rozwi¹zania technicznego uk³adu zasilania
obiektów w ciep³o i energiê elektryczn¹. Podobnie jak w obliczeniach wstêp-
nych, porównano wielkoœci przep³ywów finansowych dla uk³adu rozdzielone-
go (tj. kot³owni gazowej i zakupu energii elektrycznej z sieci) z uk³adem,
w którego sk³ad wchodzi modu³ kogeneracyjny.

Po analizie mo¿liwoœci lokalizacyjnych i mo¿liwych rozwi¹zañ w zakresie

konfiguracji uk³adu, podjêto decyzjê ¿e kot³ownia gazowa i uk³ad skojarzony
zainstalowane zostan¹ w budynku B „nowej szko³y” (w pomieszczeniach po
zlikwidowanej kot³owni wêglowej). Integracja poszczególnych poduk³adów
hydraulicznych (basenu i kompleksu edukacyjnego) zostanie przez sieæ
ciepln¹ dwuprzewodow¹ z rur preizolowanych o d³ugoœci ok. 250 m. Uprosz-
czony schemat uk³adu przedstawiono na rys. 24.

Zaproponowane rozwi¹zanie pozwoli zdecydowanie obni¿yæ nak³ady inwe-

stycyjne oraz u³atwi sterowanie prac¹ uk³adu. Problem jest tu jednak mo¿li-
woœæ wykorzystania niskotemperaturowego Ÿród³a ciep³a jakim mo¿e byæ do-
datkowy wymiennik spaliny-woda za silnikiem gazowym. Ciep³o z tego Ÿród³a

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

313

Rys. 23. Rzeczywiste nak³ady jednostkowe na agregat kogeneracyjny (wg ofert)

mog³oby byæ czêœciowo wykorzystane do wytwarzania c.w.u. na potrzeby
szkó³.

W zakresie instalacji uk³adów kogeneracyjnych do analizy przyjêto

urz¹dzenia oferowane przez firmy ELTECO, CES i KWE. Oferty te uznano za
najbardziej kompletne, zawieraj¹ce wiarygodne dane mog¹ce zostaæ wykorzy-
stane w obliczeniach.

4.1. Ustalenie cen gazu ziemnego i energii elektrycznej

Cena gazu ziemnego silnie uzale¿niona bêdzie od grupy taryfowej do jakiej

zakwalifikowany zostanie odbiorca. Zarówno w przypadku instalacji kot³ów
gazowych o mocy 900 kW jak i w przypadku instalacji i uk³adu skojarzonego
odbiorca zakwalifikowany zostanie do grupy taryfowej W-6. W przypadku in-
stalacji kot³owni maksymalny strumieñ gazu wyniesie oko³o 101 m

/h (przy

za³o¿onej œredniej sprawnoœci kot³ów 92%).

Ostateczna cena gazu uzale¿niona bêdzie od rocznego zu¿ycia gazu ziemne-

go. W przypadku kot³owni gazowej ca³kowity roczny koszt gazu ziemnego
oszacowano na 185371 z³/rok netto, co daje cenê jednostkow¹ netto 0,803
z³/m

(brutto 0,979 z³/m

). Prowadzi to do ceny jednostki energii chemicznej

równej 23,14 z³/GJ (28,23 z³/GJ brutto).

W przypadku instalacji agregatów kogeneracyjnych jednostkowy koszt

gazu w zale¿noœci od typu agregatu wyniesie od 0,773 z³/m

(brutto 0,943

z³/m

) do 0,775 z³/m

(brutto 0,946 z³/m

). Obni¿enie ceny jednostkowej gazu

wynika g³ównie ze zwiêkszenia iloœci zu¿ywanego gazu przy niezmiennych
kosztach sta³ych (ta sama taryfa).

314

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

Rys. 24. Uproszczony schemat po³¹czeñ hydraulicznych uk³adu

Przyjêto za³o¿enie, ¿e obiekt stanowiæ bêdzie w³asnoœæ jednostki bud¿eto-

wej nie prowadz¹cej dzia³alnoœci komercyjnej. Nie odprowadzany jest zatem
podatek dochodowy. Za³o¿enie jest s³uszne równie¿ przez fakt, ¿e wp³ywy z bi-
letów nie pokryj¹ kosztów eksploatacji bie¿¹cej i odpisów amortyzacyjnych.
Celem realizacji projektu jest wiêc zapewnienie jak najni¿szych kosztów zasi-
lania obiektu w noœniki energii.

Na etapie obliczeñ wstêpnych nie zak³adano dotacji z zewnêtrznych fundu-

szy specjalnych. Ponadto obiekt potraktowano jako odbiorcê koñcowego, nie
mog¹cego odliczaæ podatku VAT. Analizê przeprowadzono wiêc w cenach
brutto tj. zawieraj¹cych podatek VAT.

Po wstêpnych analizach przyjêto tryb pracy agregatu zgodny z zapotrzebo-

waniem na energiê elektryczn¹ (ET). Podkreœliæ w tym miejscu nale¿y jed-
nak, ¿e ró¿nice w NPV pomiêdzy trybem ET a trybem pracy pe³n¹ moc¹ by³y
nieznaczne.

Za³o¿ono w lecie 14 dniowy przestój serwisowy agregatu kogeneracyjnego.

Minimalne dopuszczalne obci¹¿enie techniczne przyjêto na poziomie 50%
obci¹¿enia znamionowego.

4.2. Wariant 1: uk³ad z modu³em CHP Petra 120C

Zaproponowany silnik MAN E0836 LE 202 jest produktem nowej generacji

spalaj¹cym mieszankê ubog¹ (

λ = 1,6). Zastosowana technologia spalania jest

bardzo korzystna ze wzglêdu na sprawnoœæ energetyczn¹ a tak¿e wskaŸniki
emisji i okresy miêdzyremontowe. Z zaproponowanych urz¹dzeñ powy¿szy
silnik charakteryzuje siê najwy¿sz¹ sprawnoœci¹ oraz wskaŸnikiem skojarze-
nia. Powoduje to, ¿e zminimalizowana mo¿e byæ strata ciep³a do otoczenia w
czasie braku zapotrzebowania na ciep³o w okresie letnim przy jednoczesnym
zapewnieniu produkcji energii elektrycznej.

Szacowane wartoœci pozycji rocznego bilansu energii:

Ca³kowite roczne zu¿ycie ciep³a: 7298 GJ

Iloœæ ciep³a wytworzona w kot³ach: 4228 GJ

Iloœæ ciep³a wytworzona w skojarzeniu: 3486 GJ

Iloœæ ciep³a z agregatu CHP rozproszona w otoczeniu (w wyniku braku
zapotrzebowania): 416 GJ

Ca³kowity niedobór ciep³a: 28 GJ

Stosunek niedoboru ciep³a do ca³kowitego zapotrzebowania: 0,4%

Ca³kowita iloœæ spalonego gazu ziemnego: 331193 m

Ca³kowita iloœæ wytworzonej energii elektrycznej: 674064 kWh

Zu¿ycie w³asne energii elektrycznej przez modu³ CHP: 13481 kWh

Ca³kowity zakup energii elektrycznej z sieci: 95844 kWh

Ca³kowita sprzeda¿ energii elektrycznej do sieci: 0 kWh

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

315

4.3. Wariant 2: uk³ad z modu³em CHP ME 3066D1

Zaproponowany silnik jest jest klasycznym urz¹dzeniem spalaj¹cym mie-

szankê stechiometryczn¹ (

λ = 1,0). Powoduje to, ¿e sprawnoœæ wytwarzania

energii elektrycznej oraz wskaŸnik skojarzenia s¹ ni¿sze ni¿ w wariancie 1.
Wp³ynie to na zmniejszenie korzyœci ekonomicznych oraz zwiêkszenie straty
ciep³a do otoczenia. Silniki te maj¹ równie¿ nieco bardzie strome charaktery-
styki od silników spalaj¹cych mieszankê ubog¹. Dodatkowo pogarsza to efek-
tywnoœæ pracy pod niepe³nym obci¹¿eniem.

Szacowane wartoœci pozycji rocznego bilansu energii:

Ca³kowite roczne zu¿ycie ciep³a: 7295GJ

Iloœæ ciep³a wytworzona w kot³ach: 3843 GJ

Iloœæ ciep³a wytworzona w skojarzeniu: 4054 GJ

Iloœæ ciep³a z agregatu CHP rozproszona w otoczeniu (w wyniku braku za-
potrzebowania): 603 GJ

Ca³kowity niedobór ciep³a: 32 GJ

Stosunek niedoboru ciep³a do ca³kowitego zapotrzebowania: 0,4%

Ca³kowita iloœæ spalonego gazu ziemnego: 326667 m

Ca³kowita iloœæ wytworzonej energii elektrycznej: 666198 kWh

Zu¿ycie w³asne energii elektrycznej przez modu³ CHP: 13028 kWh

Ca³kowity zakup energii elektrycznej z sieci: 103630 kWh

Ca³kowita sprzeda¿ energii elektrycznej do sieci: 0 kWh

4.4. Wariant 3: uk³ad z modu³em CHP OD 90NG V01

Zaproponowany silnik jest klasycznym urz¹dzeniem spalaj¹cym mieszan-

kê stechiometryczn¹ (

λ = 1,0). Powoduje to, ¿e sprawnoœæ wytwarzania ener-

gii elektrycznej oraz wskaŸnik skojarzenia s¹ ni¿sze ni¿ w wariancie 1.

Szacowane wartoœci pozycji rocznego bilansu energii:

Ca³kowite roczne zu¿ycie ciep³a: 7293 GJ

Iloœæ ciep³a wytworzona w kot³ach: 4175 GJ

Iloœæ ciep³a wytworzona w skojarzeniu: 3551 GJ

Iloœæ ciep³a z agregatu CHP rozproszona w otoczeniu (w wyniku braku za-
potrzebowania): 433 GJ

Ca³kowity niedobór ciep³a: 33 GJ

Stosunek niedoboru ciep³a do ca³kowitego zapotrzebowania: 0,5%

Ca³kowita iloœæ spalonego gazu ziemnego: 336244 m

Ca³kowita iloœæ wytworzonej energii elektrycznej: 641453 kWh

Zu¿ycie w³asne energii elektrycznej przez modu³ CHP: 12829 kWh

Ca³kowity zakup energii elektrycznej z sieci: 128129 kWh

Ca³kowita sprzeda¿ energii elektrycznej do sieci: 0 kWh
WskaŸnik NPV efektywnoœci ekonomicznej inwestycji uzyskany w poszcze-

gólnych wariantach obliczeñ przedstawiono w tablicy 4.

316

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

Tablica 4

Porównanie wskaŸników NPV dla analizowanych wariantów technicznych

Pozycja

Gospodarka

rozdzielona

Kogeneracja

Wariant 1

Kogeneracja

Wariant 2

Kogeneracja

Wariant 3

NPV

–5 969 379

–5 725 899

–6 025 986

–5 869 320

NPV – NPV dla gospodarki
rozdzielonej

243 480

–56 607

100 059

Z analizowanych wariantów rozwi¹zania technicznego najkorzystniejszym

okaza³a siê byæ instalacja agregatu kogeneracyjnego z silnikiem MAN E0836
LE 202 (wariant 1) oraz

trzech kot³ów gazowych. Bior¹c pod uwagê, ¿e

przedstawione zosta³y dwie oferty na uk³ad z tym silnikiem, oraz, ze mo¿liwe
s¹ dalsze negocjacje ceny uzyskany efekt ekonomiczny bêdzie wiêkszy od
przedstawionego w tablicy.

Czynnikami wp³ywaj¹cymi na najwy¿sz¹ efektywnoœæ ekonomiczn¹ przed-

siêwziêcia w wariancie 1 jest wysoka sprawnoœæ wytwarzania energii elek-
trycznej i stosunkowo wysoki wskaŸnik skojarzenia. W wariancie tym uzy-
skano najni¿sz¹ wartoœæ zakupu energii elektrycznej z sieci (najwy¿sza pro-
dukcja w³asna) oraz najni¿sz¹ produkcjê ciep³a w kot³ach (najwy¿szy stopieñ
wykorzystania ciep³a wytwarzanego w skojarzeniu).

Uk³ad z silnikiem o mniejszej mocy wypad³ w obliczeniach ekonomicznych

mniej korzystnie g³ównie ze wzglêdu na wiêksze jednostkowe nak³ady inwe-
stycyjne i mniejsz¹ sprawnoœæ wytwarzania energii elektrycznej. Z kolei
uk³ad z silnikiem wiêkszej mocy nie jest op³acalny w stosunku do kot³owni ga-
zowej co wynika g³ównie ze skrócenia czasu pracy urz¹dzenia ze wzglêdu na
ograniczenia wynikaj¹ce z minimalnego dopuszczalnego obci¹¿enia technicz-
nego agregatu.

4. Podsumowanie

W pracy przedstawiono wyniki prac nad projektem budowy skojarzonego

Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej dla zespo³u budynków kompleksu eduka-
cyjnego i krytej p³ywalni. Dobieraj¹c agregat kogeneracyjny uwzglêdniono za-
równo zapotrzebowanie na energiê elektryczn¹ jak i ciep³o. Starano siê
spe³niæ w maksymalnym mo¿liwym zakresie szereg czasami nie do koñca
daj¹cych siê pogodziæ wymagañ technicznych przy zapewnieniu mo¿liwie
maksymalnego efektu ekonomicznego. Na podstawie przeprowadzonych ana-
liz przyjêto, ¿e dla opisywanego przypadku najlepiej zastosowaæ agregat koge-
neracyjny o mocy elektrycznej z zakresu 100÷130 kW. Wykazano, ¿e roz-

Projekt demonstracyjny Ÿród³a ciep³a i energii elektrycznej...

317

wi¹zanie takie w ca³kowitym czasie eksploatacji obiektu jest bardziej op³acal-
ne od budowy jedynie Ÿród³a ciep³a.

Po uwzglêdnieniu ofert dostawców uznano, ¿e najkorzystniejszym roz-

wi¹zaniem jest instalacja agregatu kogeneracyjnego z silnikiem MAN E0836
LE 202 oraz trzech kot³ów gazowych o ³¹cznej mocy 800 kW. Okaza³o siê rów-
nie¿, ¿e najkorzystniejszym z ekonomicznego punktu widzenia trybem pracy
jest praca po krzywej obci¹¿enia elektrycznego bez sprzeda¿y nadwy¿ek do
sieci.

Dalsza realizacja projektu wymaga przeprowadzenia nastêpuj¹cych eta-

pów prac:
– przeprowadzenie wszystkich niezbêdnych uzgodnieñ z Górnoœl¹skim

Zak³adem Elektroenergetycznym S.A. i Górnoœl¹sk¹ Spó³k¹ Gazownictwa
Sp. z o.o.,

– zapewnienie wymaganych œrodków finansowych na realizacjê projektu,

– opracowanie niezbêdnej dokumentacji zwi¹zanej z przy³¹czeniem Ÿród³a

do sieci gazowej i sieci elektroenergetycznej,

– wykonanie projektu wykonawczego instalacji Ÿród³a ciep³a i energii elek-

trycznej,

– wykonanie wykonawczego projektu sieci cieplnej,

– wykonanie projektu wykonawczego integracji Ÿród³a ciep³a i energii elek-

trycznej z instalacjami wewnêtrznymi w budynkach oraz projektu auto-
matyki kontrolno-steruj¹cej,

– dostawy urz¹dzeñ i wykonanie poszczególnych elementów instalacji.

Praca wykonana w ramach projektu badawczego nr 4 T10B 022 25

finansowanego ze œrodków Komitetu Badañ Naukowych. Autorzy wy-
ra¿aj¹ podziêkowania za dofinansowanie badañ.

Recenzent: Dr hab. in¿. Janusz KOTOWICZ

Wp³ynê³o do Redakcji: 10.03.2005 r.

318

Jacek Kalina, Janusz Skorek, Andrzej Latko

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
35 Zdarzenia zbliżone do kontraktów
35 39
35 PRZEBIEG ZARODKOWEGO I PLODOWEG
29 35
09 1996 31 35
35
05 1995 35 37
35 38
Praktyczna Nauka Języka Rosyjskiego Moje notatki (leksyka)35
Dokument (35)
s 35, LOGOPEDIA, Krasowicz - Kupis G, Język, czytanie i dysleksja, język czytanie i dysleksja CZERWO
6 - Znaczenie konformizmu w systemie kontroli spol. sms, zchomikowane, 35 000 edukacyjnych plikó
BAD Rynkowe i mark - ściąga(1), zchomikowane, 35 000 edukacyjnych plików z każdej branży
35 - FILMOWA MIŁOŚĆ, Teksty piosenek
35. FEUDALIZM, Politologia, Politologia III, Seminarium, Seminarium
wymagania egzaminacyjne - 35, Anatomia, wymagania egzaminacyjne

więcej podobnych podstron