Czy pompa ciepła powietrze/woda korzysta w warunkach polskich z energii odnawialnej?

Pompa ciepła powietrze/woda jest urządzeniem umożliwiającym konwersję energii z powietrza zewnętrznego (energii aerotermalnej) i wykorzystanie jej do ogrzewania lub chłodzenia budynku. Proces ten realizowany jest za pośrednictwem trzech obiegów: obiegu czynnika dolnego źródła, w którym energia cieplna pozyskiwana jest z otoczenia i transportowana do pompy ciepła; obiegu czynnika chłodniczego, gdzie pompa zwiększa temperaturę pozyskanego ciepła; obiegu czynnika grzewczego rozprowadzającego ciepło po budynku.

Powietrze zewnętrzne zasysane jest przez wentylator do parownika pompy ciepła, gdzie oddaje energię cieplną do czynnika chłodniczego – powoduje to obniżenie temperatury powietrza. Zimne powietrze zostaje usunięte z pompy. Czynnik chłodniczy – gaz (najczęściej R404A, R407C, R410A) – krąży w obiegu zamkniętym, również przepływając przez parownik.

Czynnik chłodniczy odznacza się bardzo niską temperaturą wrzenia, odbierając energię cieplną z powietrza, zaczyna wrzeć.

Gaz, który powstaje podczas wrzenia, kierowany jest do sprężarki zasilanej energią elektryczną. W wyniku sprężania gazu rośnie ciśnienie, a wraz z nim znacznie wzrasta temperatura gazu (np. z 5 do ok. 70–80°C). Ze sprężarki gaz jest wtłaczany do wymiennika ciepła (skraplacza), gdzie oddaje energię cieplną do systemu grzewczego, po czym ulega schłodzeniu i się skrapla.

Ponieważ ciśnienie jest nadal wysokie, czynnik chłodniczy zostaje przetłoczony przez zawór rozprężny, gdzie dochodzi do spadku ciśnienia i powrotu czynnika do temperatury pierwotnej.

W tym czasie w obiegu czynnika grzewczego energia cieplna wytwarzana przez czynnik chłodniczy w skraplaczu jest odbierana przez wodę w systemie grzewczym (czynnik grzewczy). Zostaje ona podgrzana w celu uzyskania wymaganej temperatury zasilania (tabela 1).

Czynnik grzewczy krąży w obiegu zamkniętym i przenosi energię cieplną podgrzanej wody do ogrzewacza c.w.u. i systemu ogrzewania budynku (np. grzejniki, ogrzewanie podłogowe czy klimakonwektory)  [11].

Sprawność pompy ciepła w znacznym stopniu zależy od różnicy temperatury pomiędzy dolnym źródłem ciepła a odbiornikiem ciepła.

W przypadku pomp powietrznych obniżenie temperatury w sezonie grzewczym wpływa na obniżenie średniej sprawności tego typu urządzeń w ciągu roku.

Przy określonej temperaturze otoczenia, w której koszty jednostkowe pozyskanego ciepła będą wyższe niż referencyjnego rozwiązania (np. kotła gazowego), zastosowanie pompy ciepła może się okazać nieopłacalne ekonomicznie. Temperatura ta wynosi ok. 0°C dla tradycyjnych rozwiązań z pompą ciepła typu powietrze/woda lub ok. –10°C dla bardziej zaawansowanych konstrukcji, wykorzystujących sprężarki z możliwością bezpośredniego wtrysku par czynnika oraz ekonomizer (urządzenie służące do monitorowania zużycia czynnika roboczego) [13].

Sprawność powietrznych pomp ciepła określa się podobnie jak dla wszystkich innych pomp, wyznaczając współczynnik COP (Coefficient of Performance). Współczynnik ten opisuje stosunek wydajności grzewczej uzyskiwanej w skraplaczu F_g do mocy elektrycznej pobieranej przez silnik sprężarki oraz inne urządzenia niezbędne do jego pracy P_el [15], czyli stosunek użytecznej mocy cieplnej do pobranej elektrycznej mocy napędowej.

Współczynnik efektywności wyznaczany jest w ustalonych, laboratoryjnych warunkach pracy na podstawie normy PN-EN 14511 [8].

Ponieważ współczynnik ten odzwierciedla jedynie stan chwilowy w ściśle określonych warunkach, uzupełnia się go, podając sezonowy współczynnik efektywności energetycznej SPF (Seasonal Performance Factor), który w większym stopniu może pokazać rzeczywistą wydajność pracy pompy ciepła [11].

Ponieważ odnotowujemy obecnie znaczny wzrost sprzedaży pomp typu powietrze/woda na terenie Polski (rys. 1), zagadnienie to  można uznać za istotne.

Wymagany poziom SPF

Sezonowy współczynnik wydajności grzejnej SPF to podstawowa wielkość używana w analizach efektywności energetycznej pomp ciepła. Współczynnik ten jest określany również jako sezonowy współczynnik efektywności energetycznej SCOP (Seasonal Coefficient of Performance), a w literaturze niemieckiej jako JAZ (Jahresarbeitszahl).  

SPF definiowany jest zazwyczaj jako stosunek ilości użytecznego ciepła wytworzonego przez pompę do ilości zużytej energii elektrycznej [1]. W praktyce współczynnik ten określa efektywność energetyczną podczas eksploatacji pompy ciepła w konkretnej instalacji w czasie zmiennych warunków temperaturowych sezonu grzewczego [2].

Na warunki te składają się takie czynniki, jak obliczeniowa temperatura zewnętrzna, długość trwania sezonu grzewczego, liczba stopniodni ogrzewania oraz charakterystyka cieplna budynku (izolacyjność przegród, wielkość zysków ciepła itd.) [1].

Istotne znaczenie dla rozwoju rynku pomp ciepła w Polsce ma prawo Unii Europejskiej, a szczególnie dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady Europy [9].

Zgodnie z dyrektywą 2009/28/WE dotyczącą promowania odnawialnych źródeł energii wartość SPF definiuje się jako udział energii ze źródeł odnawialnych przekazywanej do instalacji grzewczej. Stan obecny, na podstawie decyzji KE 2013/114/UE z 1.03.2013 r. [10], przedstawiono na rys. 2.

Zgodnie z tą decyzją udział energii odnawialnej przekazywanej przez sprężarkowe pompy ciepła do instalacji grzewczej powinien sięgać od 60 do ponad 80%.

Dane dotyczące wymaganej wartości współczynnika SPF dla pomp ciepła powietrze/woda można znaleźć w kilku źródłach. Według wspomnianej już dyrektywy 2009/28/WE wartości współczynnika wydajności podaje się z uwzględnieniem warunków klimatycznych dzielących terytorium UE na trzy strefy (rys. 3).

Definicja jest zgodna z rozporządzeniem delegowanym Komisji w sprawie etykietowania energetycznego urządzeń grzewczych, gdzie „warunki klimatu umiarkowanego”, „warunki klimatu chłodnego” i „warunki klimatu ciepłego” oznaczają warunki temperaturowe właściwe odpowiednio dla następujących europejskich miast: Strasburga, Helsinek i Aten [2].

Terytorium Polski zostało zakwalifikowane do strefy klimatu chłodnego. Charakterystyczne dla naszego klimatu są krótkie okresy występowania ekstremalnie niskich i wysokich temperatur powietrza zewnętrznego. Wszelkie obliczenia zapotrzebowania na ciepło budynku są dokonywane dla niekorzystnych warunków, które mogą wystąpić w obiekcie podczas pracy systemu grzewczego.

W zależności od strefy klimatycznej przyjmowane są obliczeniowe temperatury powietrza zewnętrznego, dla których dokonuje się szczegółowych obliczeń strat ciepła budynku [16].

Wydajność systemu opartego na pompie ciepła powietrze/woda maleje wraz z obniżającą się temperaturą źródła dolnego (powietrza), w przeciwieństwie do potrzeb grzewczych budynku [15]. Powoduje to konieczność wymiarowania urządzeń na szczególnie niekorzystne warunki pracy, podczas gdy pracują one przez dłuższy okres z niepełną mocą cieplną i chłodniczą [14].

W załączniku VII do dyrektywy 2009/28/WE przedstawiono podstawową metodykę obliczania ilości energii odnawialnej dostarczonej przez pompę ciepła. Znajdują się tam wartości domyślne dla HHP (równoważne godziny pracy pompy ciepła z pełnym obciążeniem) i SPF dla elektrycznych sprężarkowych pomp ciepła.

Wartości podane w tabeli 2 są typowe dla segmentu pomp ciepła o SPF powyżej minimalnej wartości progowej, co oznacza, że pompy ciepła o SPF < 2,5 nie były brane pod uwagę przy ich ustalaniu.

Dla porównania w materiałach EHPA (European Heat Pump Association) możemy znaleźć informację dotyczącą średniej wartości współczynnika SPF występującego w instalacjach nowo powstałych i modernizowanych budynków znajdujących się na terenie UE (tabela 3).

Wartości sezonowego współczynnika efektywności energetycznej dla różnych typów pomp ciepła znajdują się również w rozporządzeniu dotyczącym certyfikacji energetycznej budynków [4] (tabela 4). Dane zamieszczone w tym rozporządzeniu są zgodne z zapisami dyrektywy 2002/91/WE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.

W Niemczech stosowane jest rozwiązanie polegające na określaniu wielkości dofinansowania instalacji pomp ciepła w oparciu o wartość współczynnika SPF. System o większej sprawności, tym samym gwarantujący niskie koszty eksploatacji, może liczyć na większe wsparcie finansowe.

W latach 2006–2010 Instytut Fraunhofera przeprowadził badania na terenie Niemiec polegające na pomiarze dużej liczby systemów grzewczych opartych na różnych typach pomp ciepła, również pompach powietrze/woda.

Wynikiem badań było wyznaczenie sprawności pomp ciepła w realnych warunkach użytkowania dla budynków nowo budowanych i poddanych modernizacji. Wartość współczynnika dla tych pomp wyniosła 2,9 w przypadku budynków nowych i 2,6 dla budynków starych (tabela 5). Najniższe wartości uzyskano w styczniu, związane jest to z bardzo niską temperaturą powietrza [6].

Jak łatwo zauważyć, domyślne (minimalne) wartości współczynnika SPF dla pompy ciepła powietrze/woda podawane przez źródła europejskie są zbliżone. Wniosek ten potwierdzają również przeprowadzone badania (tabela 5).

Wskazany przedział wartości granicznych SPF 2,5–2,7 dla pomp ciepła powietrze/woda może być trudny do osiągnięcia w już istniejących instalacjach. Wymusza to stosowanie urządzeń pomocniczych (pompy obiegowe, wentylatory powietrza) optymalnie dobranych pod względem mocy i sposobu regulacji [7].

Wartość sezonowego współczynnika efektywności energetycznej w warunkach polskich

Podstawowym powodem wyznaczania wartości współczynnika SPF dla pomp ciepła jest możliwość uniknięcia błędów projektowych oraz skontrolowania, czy instalacja z pompą ciepła korzysta z energii odnawialnej, a tym samym czy spełnia założenia pozwalające przypisać ją do źródeł OZE.

Zgodnie z dyrektywą 2009/28/WE minimalna wartość SPF pompy ciepła zależy od wartości współczynnika h (średniej sprawności konwersji energii pierwotnej w energię elektryczną) [8]. Biorąc pod uwagę zapisy uwzględnione w załączniku VII do dyrektywy UE, pompa ciepła uznawana jest za korzystającą ze źródeł odnawialnych, o ile spełnia zależność (1). Po podstawieniu do wzoru (2) otrzymamy wymaganą minimalną wartość współczynnika SPF_min (SCOP_net), równą 2,53.

(1)

(2)

gdzie:
h – średnia europejska sprawność konwersji energii pierwotnej w elektryczną podawana przez Eurostat (obecnie h = 0,455, wartość ta obowiązywać będzie do roku 2020, na podstawie prognoz wartość współczynnika po 2020 r. ma wynieść h = 0,5) [2].

Wartość współczynnika h (średniej sprawności konwersji energii pierwotnej w energię elektryczną) dla Polski wynosi obecnie ok. 0,35 (35%) [8]. Podstawiając tę wartość do wzoru (2), otrzymamy SPF_min = 3,38. Wynika z tego, że opierając się na dyrektywie [2], ale stosując rzeczywistą (nie średnią dla UE) wielkość współczynnika konwersji, otrzymamy wartości znacznie różniące się od zakładanych (rys. 4).

Idąc tym tokiem rozumowania, wszystkie pompy ciepła zasilane energią elektryczną działające w naszym kraju, które osiągnęły SPF poniżej 3,38, nie powinny być w rzeczywistości zaliczane do urządzeń wykorzystujących energię z zasobów odnawialnych.

Na rys. 5 pokazano wykres przepływu energii (wykres Sankeya) dla pompy ciepła typu powietrze/woda o współczynniku SPF = 2,5 i wyznaczono wartość PER. Wskaźnik zużycia energii pierwotnej PER dla pomp ciepła (Primary Energy Ratio) to stosunek użytecznej energii grzewczej pompy ciepła do zużytej energii pierwotnej (paliwa nieodnawialnego) [9].

W polskich warunkach oznacza to, że przy minimalnej wartości sezonowego współczynnika efektywności energetycznej na uzyskanie 100 kWh ciepła przekazanego przez pompę ciepła do budynku zużyto 112 kWh (PER = 0,88) z paliwa kopalnego (nieodnawialnego).

Łatwo zauważyć, że przyjęcie wartości SPF określonej w decyzji UE dla warunków polskich nie odzwierciedla faktycznych wielkości. Jeżeli w 2020 r. sprawność przetwarzania energii elektrycznej w Polsce wzrośnie z 35% do np. 40%, wymagana ilość energii pierwotnej spadnie ze 112 do 100 kWh. Współczynnik PER wzrośnie wtedy z 0,88 do 1,00 przy zachowaniu tej samej wartości SPF (sezonowego współczynnika efektywności) (rys. 6).

W obecnych warunkach uzyskanie PER powyżej jedności wymaga współczynnika SPF > 2,9. Dlatego ważnym zadaniem dla branży pomp ciepła jest oszacowanie, jak wiele urządzeń będących na polskim rynku nie spełnia warunku SPF min. 2,5.

Szczególnej uwagi wymagają rewersyjne (odwracalne) powietrzne pompy ciepła oraz starsze i nowe mniej efektywne urządzenia. W decyzji Komisji Europejskiej zwrócono również uwagę na znaczny udział powietrznych pomp ciepła do podgrzewania wody, które nie spełniają wymogów minimalnej wartości SPF.

Tylko w wyjątkowych wypadkach pompy takie mają SPF powyżej minimalnej wartości progowej [12]. Zasadnym wydaje się zatem zapis zawarty w decyzji Komisji umożliwiający państwom członkowskim przeprowadzenie własnych badań i obliczeń w celu zwiększenia dokładności statystyk krajowych (dokonywanie własnych oszacowań dotyczących SPF i H_HP), które mogą wpłynąć na usprawnienie metodyki zawartej w decyzji [10].

Na podstawie ustalonej wielkości współczynnika SPF istnieje możliwość określenia ilości energii odnawialnej przekazywanej przez pompę ciepła do instalacji grzewczej [5]. Wskaźnik ten pomaga też ocenić celowość inwestycji w pompy ciepła, co w warunkach klimatycznych naszego kraju może się okazać istotne. Poziom energii wytworzonej przez pompy ciepła uznawanej za energię ze źródeł odnawialnych (E_RES) możemy obliczyć ze wzoru (3) na podstawie dyrektywy [2]:

(3)

gdzie:
Q_usable – szacunkowe całkowite użyteczne ciepło pochodzące z pomp ciepła, GWh;
SPF – wartość sezonowego współczynnika efektywności energetycznej obliczana wg (2).

(4)

gdzie:
H_HP – równoważne godziny pracy pompy ciepła z pełnym obciążeniem (tabela 2; w przypadku zastosowania powietrznych pomp ciepła, których moc podawana jest dla warunków projektowych, a nie dla standardowych warunków badawczych, należy korzystać z wartości H_HE równej 3465 h dla klimatu zimnego obowiązującego w Polsce), h;
P_rated – wydajność zainstalowanej pompy ciepła, GW.

Biorąc pod uwagę zapisy zawarte w decyzji KE 2013/114/UE, możemy wykonać przykładowe wyliczenie statystyczne ilości energii odnawialnej wytworzonej przez pompę ciepła. Przy założeniu, że moc grzewcza pompy typu powietrze/woda wynosi 8 kW, a SPF będzie równy wartości minimalnej (2,53), statystyczna ilość energii z OZE wyniesie:

Przekształcając wzór (3), możemy wyliczyć minimalny procentowy udział energii odnawialnej przejmowanej przez pompę ciepła:

Podsumowanie

Prawo unijne wprowadza wymagania dotyczące efektywności energetycznej pomp ciepła oraz warunki, na podstawie których sprężarkowe pompy ciepła powietrze/woda można zaliczyć do źródeł korzystających z energii odnawialnej. Wymogi dotyczące odnawialnych źródeł energii, ich stosowania i sposobu obliczania uzyskanej energii zostały zawarte w dyrektywie 2009/28/WE oraz decyzji Komisji Europejskiej 2013/114/UE.

Głównym wskaźnikiem sprawności systemów pomp ciepła jest sezonowy współczynnik wydajności grzejnej SPF.

Zawarte w powyżej wymienionych dokumentach wartości szacunkowe tego współczynnika w zasadzie odzwierciedlają rzeczywiste, osiągane wartości dla tego typu urządzeń – potwierdzają to przytoczone źródła. Pomimo tego w polskich warunkach mogą wystąpić trudności we wskazaniu granicznej wartości współczynnika SPF, której osiągnięcie zalicza dane urządzenie do źródeł korzystających z OZE. Na fakt ten wpływa głównie niski poziom sprawności współczynnika konwersji energii pierwotnej na elektryczną, znacznie odbiegający od średniej europejskiej przyjętej w dyrektywie.

Wielkość współczynnika konwersji ma zasadniczy wpływ na określenie minimalnej wartości SPF. Zasadne więc wydaje się stwierdzenie, że zapisy europejskie nie odzwierciedlają w pełni sytuacji krajowej i przyjęcie wartości średniej współczynnika konwersji energii nie pozwala uzyskać wyników faktycznych.

Komisja Europejska umożliwia państwom członkowskim przeprowadzenie własnych badań (dotyczących wartości SPF i H_HP) w celu wprowadzenia zmian we wskazanej metodyce, co w sytuacji Polski wydaje się koniecznym rozwiązaniem. Nowe rozwiązania zastosowane w pompach powietrznych pozwalają na osiągnięcie w naszej strefie klimatycznej zadowalającej efektywności (SPF = 3,0–3,2), jest jednak wiele starszych systemów, które tych kryteriów nie spełniają.

Prawidłowe zidentyfikowanie takich urządzeń pozwoliłoby na przeprowadzenie działań modernizacyjnych. Oprócz programów badawczych wsparcie rynku pomp ciepła w Polsce mogłoby polegać na wprowadzeniu specjalnych tańszych taryf na energię zużytą przez pompy. Obniżenie kosztów energii elektrycznej wpłynęłoby na zwiększenie wartości współczynnika SPF.

Literatura

1. Rubik M., Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej, Warszawa 2011.
2. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych.
3. Materiały European Heat Pump Association.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 8 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącą samodzielną część techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU nr 201/2008, poz. 1240).
5. Lachman P., Pompy ciepła a udział energii odnawialnej i SPF, „Instal Reporter” nr 9/2010.
6. Miara M., Sprawność pomp ciepła w realnych warunkach użytkowania, „Instal Reporter” nr 1/2011.
7. Kubski P., Pompy ciepła w dyrektywie, „Magazyn Instalatora” nr 1/2010.
8. Lachman P., Spór o minimalną wartość SPF w dyrektywie OŹE, „Polski Instalator” nr 3/2010.
9. Decyzja Komisji Europejskiej 2013/114/UE z dnia 1.03.2013 r. ustanawiająca wytyczne dla państw członkowskich dotyczące obliczania energii odnawialnej z pomp ciepła w odniesieniu do różnych technologii pomp ciepła na podstawie art. 5 dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE.
10. Smuczyńska M., Pompy ciepła powietrze-woda – praca na cele c.o. i c.w.u., „Instal Reporter” nr 10/2013.
11. Lachman P., Kiedy pompy ciepła korzystają z OZE, „Czysta Energia” nr 12/2013.
12. Wojtas K., Sprężarkowa pompa ciepła w warunkach polskich – analiza ekonomiczna, materiały Forum Wentylacja, Salon Klimatyzacja, Stowarzy­szenie „Polska Wentylacja”, Warszawa 2010.
13. Adamski B., Pompy ciepła w układach przygotowania powietrza, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2010.
14. Wojtas K., Możliwości zastosowania pomp ciepła typu powietrze-woda w warunkach polskich, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 5/2010, dodatek.
15. Adamski B., Analiza opłacalności zastosowania pompy ciepła typu powietrze-woda na potrzeby c.o. i c.w.u., „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 12/2007.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!