Gruntowe pompy ciepła

Pompy ciepła to urządzenia, działające na podobnej zasadzie jak lodówki. Ale w przeciwieństwie do nich przetwarzają energię pochodzącą ze źródeł odnawialnych, zgromadzoną w powietrzu, gruncie czy wodzie, na ciepło użytkowe służące do ogrzewania budynków, ciepłej wody lub chłodzenia pomieszczeń. W przypadku powietrza, wody i poziomych, gruntowych wymienników ciepła jest to energia promieniowania słonecznego zakumulowana w formie ciepła. W przypadku pionowych, gruntowych wymienników ciepła jest to łączne wykorzystanie zmagazynowanej energii słonecznej i geotermalnej. Oprócz tego, że pompy ciepła wykorzystują odnawialne źródła energii to przyczyniają się do zwiększenia efektywności energetycznej instalacji grzewczych. Mogą również efektywnie wykorzystać ciepło odpadowe z procesów produkcyjnych w rolnictwie lub z gospodarstw domowych (np. ogrzane powietrze wentylacyjne usuwane z pomieszczeń budynku).

W niedalekiej przyszłości, gdy coraz większa część energii elektrycznej będzie pochodzić z odnawialnych źródeł, stosowanie pomp ciepła będzie automatycznie zbliżać się do celu idealnego - korzystania tylko z odnawialnych źródeł energii.

 

Rys 1. Pompa ciepła korzysta z energii odnawialnej (źródło: BWP, PORT PC)

Do napędu pompy ciepła może służyć energia elektryczna (najbardziej obecnie popularne rozwiązanie- sprężarkowe pompy ciepła zasilane energią elektryczną) jak i też bezpośrednio ciepło odpadowe lub pochodzące ze spalania np. gazu (pompy ciepła absorbcyjne lub adsorbcyjne).

Warto wiedzieć

Historia pomp ciepła ma już niemal 200 lat, gdyż już w 1824 roku jako pierwszy opublikował zasadę działania pewien młody Francuz o nazwisku Nicolas Carno.
W 1852 szczegółowe podstawy teoretyczne pomp ciepła przedstawił Lord Kelvin, który udowodnił, że maszyny chłodnicze mogą być wykorzystywane także do ogrzewania.

Pierwsza pompa ciepła korzystająca z energii zgromadzonej w gruncie (energii geotermalnej) została uruchomiona w USA, dnia 1 października 1945 roku, w domu Roberta C. Webbera, w Indianapolis. Pompa wyposażona była w sprężarkę zasilaną energią elektryczna o mocy nominalnej 2,2 kW i za pomocą dmuchawy zasilała system ogrzewania ciepłym powietrzem. Zimą, na przełomie lat 1945/46 odnotowano w Indianapolis temperatury dochodzące do -24 °C, jednak mimo to pompa ciepła przez cały czas ogrzewała wspomniany dom do temperatury 22-23°C.

 

 

Rys. 2. Pompa ciepła korzystająca z ciepła zgromadzonego w gruncie, może zarówno grzać jak i chłodzić pomieszczenia, jak i podgrzewać wodę użytkową z najwyższą efektywnością (źródło: Vaillant)

 

Jednak dopiero na początku lat dziewięćdziesiątych w Europie Zachodniej nastąpił utrzymujący się do dziś boom w segmencie rynku pomp ciepła. W Polsce, pierwsze pompy ciepła zainstalowano w na początku lat 90 tych. W roku 1996 powstał pierwszy poradnik na ich temat autorstwa dr inż. Mariana Rubika.

Obecnie pompy ciepła znajdują zastosowanie szczególnie w nowych, energooszczędnych budynkach. Aby mogły uzyskiwać jak najwyższą efektywność, a zarazem najniższe koszty ogrzewania, zaleca się jest stosować w budynkach z tzw. płaszczyznowymi instalacjami centralnego ogrzewania (ogrzewanie podłogowe, ścienne, sufitowe). W przypadku instalacji grzejnikowych temperatura wody grzewczej w instalacji centralnego nie powinna przekraczać 55°C. Dla porównanie eksploatacyjne koszty ogrzewania w przypadku zastosowania pompy ciepła w instalacji grzejnikowej (z temp. 55°C) mogą być większe o ok. 40% niż przypadku zastosowania pompy ciepła z instalacją ogrzewania podłogowego. Wpływ temperatury zasilania na wartość sezonowego współczynnika efektywności SPF systemu grzew­czego dla różnych technologii pomp ciepła pokazano na poniższym rysunku.

 

Rys. 3. Wpływ temperatury zasilania instalacji centralnego ogrzewania na wartość współczynnika efektywności SPF pompy ciepła (źródło: EHPA)

 

W przypadku zastosowania pomp ciepła w istniejących, nieenergooszczędnych budynkach zaleca się najpierw przeprowadzenie termomodernizacji budynku, tak aby temperatura wody grzewczej w istniejącej instalacji grzejnikowej nie była wyższa niż 55oC. W budynkach w których zastosowano ogrzewanie kotłem olejowym lub gazowym na gaz płynny, zastosowanie pompy ciepła (szczególnie powietrznej pompy ciepła) może istotnie obniżyć koszty ogrzewania i przygotowania ciepłej wody. Pompa ciepła może pracować do pewnej temperatury zewnętrznej np. -10oC. Poniżej tej temperatury pracować będzie tylko kocioł grzewczy, jako szczytowe źródło ciepła.

Warto pamiętać, że nawet najlepsza pompa ciepła, o najwyższym współczynniku efektywności COP, zamontowana i zastosowana w nieprawidłowy sposób, może okazać się nieefektywna i nie przynieść spodziewanych oszczędności. Kluczowe znaczenie ma tu prawidłowy projekt instalacji i prawidłowo wykonana instalacja pompy ciepła i dolnego źródła ciepła. Wskazane jest to aby firma wykonawcza miała odpowiednie doświadczenie i odpowiednie referencje w zakresie wykonywania instalacji z pompami ciepła.

 

Co oznaczają skróty COP, SPF, SCOP?

  • Współczynnik efektywności pompy ciepła COP

Współczynnik efektywności pompy ciepła COP (ang. Coefficient of Performance) określa efektywność pompy ciepła w warunkach laboratoryjnych. Współczynnik COP jest definiowany jako zależność pomiędzy mocą przekazywaną przez pompę ciepła (kW), a mocą elektryczną (w kW) która jest dostarczona i służy do napędu sprężarki pompy ciepła. Jeżeli dane pompa ciepła ma współczynnik COP = 4. Oznacza to, że dostarczając 1 kWh energii elektrycznej do napędu pompy ciepła (sprężarki) możemy uzyskać 4 kWh ciepła. Pozostałe 3 jednostki ciepła pobierane są z otoczenia (w tzw. dolnym źródle ciepła tj. z gruntu, powietrza lub wody) i traktowane jako energia pochodząca ze źródeł odnawialnych. Wartość COP deklaruje producent pomp ciepła na podstawie własnych lub zewnętrznych badań efektywności pomp ciepła w warunkach laboratoryjnych. Przeważnie podaje się wiele współczynników pomp ciepła dla określonych warunków pracy (temperatur) dolnego i górnego źródła ciepła.

  • Sezonowy (roczny) współczynnik efektywności pompy ciepła SPF i SCOP

Ponieważ współczynnik COP dla pomp ciepła jest zmienny i zależy od warunków pracy, lepszym wskaźnikiem do oceny efektywności pomp ciepła jest współczynnik efektywności pompy ciepła SPF (ang. Seasonal Performance Factor) określa efektywność pompy ciepła w warunkach rzeczywistych (na podstawie pomiarów). Współczynnik SPF jest definiowany jako zależność pomiędzy energią przekazywaną przez pompę ciepła (kWh), a energią elektryczną (w kWh) która jest dostarczona do sprężarki pompy ciepła w określonym okresie pracy. Najczęściej okresem dla obliczania SPF jest rok. W przypadku nowych, projektowanych inwestycji można oszacować sezonową efektywność pompy ciepła, za pomocą komputerowych programów symulacyjnych. Wartość ta określana jest skrótem SCOP
(ang. Seasonal Coefficient of Performance).

 

Budowa pompy ciepła

Działanie pomp ciepła podobne jest do działania domowej lodówki, która pobiera ciepło z zawartych w niej produktów i oddaje to ciepło na zewnątrz (dlatego lodówka z tyłu obudowy ma zawsze ciepłe rurki). Pompa ciepła charakteryzuje się podobną zasadą działania. Odpowiednia instalacja pompy ciepła (np. pompowy układ rur wypełnionych glikolem z wodą) pobiera ciepło z gleby, powietrza czy wody gruntowej, następnie przekazuje je do wrzącego pod niskim ciśnieniem czynnika roboczego, sprężarka zwiększa poziom temperatury i ciśnienie czynnika. W kolejnym wymienniku ciepła, skraplaczu, następuje przekazanie ciepła do instalacji grzewczej od czynnika który skrapla się poddany wysokiemu ciśnieniu.

System z pompą ciepła składa się z instalacji dolnego źródła ciepła, jednostki pompy ciepła oraz z górnego źródła ciepła, czyli systemu dystrybucji ciepła/chłodu w budynku.

 

 

Rys 4. Budowa i ogólna zasada działania pompy ciepła (źródło: Vaillant)

Wrzący czynnik roboczy przekazuje ciepło z dolnego źródła ciepła do górnego źródła ciepła, w którym występuję skraplanie czynnika roboczego. Dodatkowa energia potrzebna jest do zasilenia sprężarki i pomp obiegowych. Istnieje możliwość odwrócenia kierunku obiegu pompy ciepła, aby wykorzystać to samo urządzenie zarówno do ogrzewania jak i chłodzenia.

Przy ogrzewaniu, dolne źródło ciepła jest zlokalizowane poza budynkiem (ciepło z powietrza, wody, gruntu). W przypadku chłodzenia, cykl jest odwrócony: budynek sam w sobie jest źródłem ciepła podczas gdy powietrze, woda lub grunt przejmują ciepło.

Główne ograniczenia zastosowania pomp ciepła to maksymalne temperatury zasilania wody grzewczej w instalacjach centralnego ogrzewania. Maksymalna temperatura dla typowej pompy ciepła nie powinna przekraczać 60-65oC. Aby uzyskać możliwie optymalną efektywność (SPF), szczególnie w przypadku pomp ciepła typu powietrze/woda zaleca się stosować ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe, ścienne czy sufitowe). Warto podkreślić, że względu na szybki postęp technologii pomp ciepła, że już za parę lat, opisywane ograniczenia mogą już nie występować w nowych urządzeniach.

 Koszty eksploatacyjne i nakłady inwestycyjne

W poniższym przykładzie porównano koszty dla instalacji grzewczych w budynku jednorodzinnym o powierzchni ogrzewanej nowego, wolnostojącego budynku jednorodzinnego 200 m2 które w przynajmniej w 15% korzystają z energii ze źródeł odnawialnych z pompą ciepła. Założono, że zapotrzebowanie ciepła użytkowego na potrzeby centralnego ogrzewania wynosi 70 kWh/m2 rok i ciepłej wody ok 4000 kWh na rok. Rozważono zastosowanie dwóch wariantów pomp ciepła:

  1. Pompa ciepła typu powietrze/woda o sezonowym współczynniku efektywności SPF =3,3

  2. Pompa ciepła typu solanka/woda o sezonowym współczynniku efektywności SPF =4,3
    z poziomym gruntowym wymiennikiem ciepła o powierzchni gruntu 350 m2

Poniższa tabela zawiera przykładowe koszty dla poszczególnych składowych inwestycji związanych z instalacją w nowym budynku o powierzchni 200 m2 (w PLN)

 

Rodzaj elementu inwestycji 

Standardowy okres użytkowania

A)

B)

Pompa ciepła

20 lat

26 000

27 000

Dolne źródło

50 lat

2 000

12 000

Instalacja elektryczna ze sterowaniem

20 lat

3 000

3 000

Koszty instalacji c.o.
i zasobnika

40 lat

17 000

17 000


Koszty eksploatacyjne

Koszty ogrzewania domu wraz z podgrzewaniem ciepłej wody użytkowej stanowią przeciętnie ponad 80% rocznych kosztów eksploatacji domu. Tak więc od zastosowanego rozwiązania grzewczego zależeć będzie większość stałych wydatków ponoszonych na utrzymanie domu.

Energia elektryczna - ceny średnie, aktualne na 05.2014: pompa ciepła sprężarkowa, taryfa dzienna G11 i mieszana G12.

 

 

Rys 5. koszt zużycia energii w przypadku różnych technologii pomp ciepła zasilanych elektryczne


Ocena ekonomiczna zastosowania pompy ciepła

Do oceny ekonomicznej pompy ciepła przyjęto powszechne narzędzie służącym do analiza ekonomicznej jakim jest porównanie całkowitych równoważnych rocznych kosztów. Aby móc poprawnie policzyć koszty finansowania i porównać alternatywne rozwiązania o różnych okresach użytkowania, zazwyczaj używa się metody całkowitych równoważnych kosztów rocznych. Powszechnie uznanym i stosowanym w Niemczech narzędziem, używanym w przypadku analizy ekonomicznej całkowitych równoważnych kosztów rocznych dla porównania różnych technologii grzewczych są wytyczne Związku Inżynierów Niemieckich VDI 2067.

Na całkowite, równoważne koszty roczne składają się:

  • koszty zużycie energii,

  • koszty kapitałowe (zakłada się wzięcie typowo oprocentowanego kredytu)

  • oraz koszty konserwacji (napraw i przeglądów).

W kosztach kapitałowych ujęte są różne okresy użytkowania poszczególnych elementów instalacji np. pompa ciepła 20 lat, dolne źródło 50 lat, pomieszczenie kotłowni 40 lat itd. W tym celu nakłady inwestycyjne są przedstawiane w postaci stałych rocznych kosztów kapitałowych. Nakłady inwestycyjne mnoży się przez współczynnik równoważnych kosztów rocznych lub współczynnik opłaty rocznej, którego wartość zależy od okresu użytkowania określonego elementu inwestycji oraz okresu i stopy procentowej kredytu.

 

Rys 6. Porównanie całkowitych rocznych kosztów dla instalacji z pompami ciepła w przykładowym budynku o powierzchni ogrzewanej 200 m2

Udział kosztów serwisu (napraw i części zamiennych) pomp ciepła pokazany na wykresie, bierze się z przyjętej metodologii wytycznych VDI 2067, która zakłada, że roczne koszty napraw (konserwacji) są na poziomie ok. 2-3 % kosztów inwestycyjnych. Szwajcarskie badania pomp ciepła w istniejących instalacjach FAWA pokazują, że koszty roczne napraw i przeglądów dla pomp ciepła są znacząco niższe i nie przekraczają wartości 1,0% rocznie i takie wartości przyjęto w obliczaniach.

 

Bardziej szczegółowych informacji na opisany temat może udzielić Piotr Dziamski z Instytutu Energetyki Odnawialnej,

mail: pdziamski@ieo.pl,    www.ieo.pl

Wyszukiwarka
Kanał Youtube
 
Facebook
Zamknij

Ten serwis internetowy wykorzystuje pliki cookies.

Używamy informacji zapisanych za pomocą cookies m.in. do celów reklamowych i statystycznych. Mogą stosować je też współpracujące z nami firmy - m.in. reklamodawcy.

W przeglądarce internetowej, w której otwierasz nasz serwis możesz zmienić ustawienia dotyczące cookies.

Korzystając z tego serwisu bez zmiany ustawień dotyczących cookies wyrażasz zgodę na ich używanie i zapisywanie w pamięci urządzenia. Więcej informacji znajdziesz w Polityce prywatności.