Parametry pracy gruntowej pompy ciepła z sondami pionowymi do przygotowania c.w.u.

Do powstania niniejszego artykułu przyczyniły się błędne zdaniem autora rozważania pojawiające się w niektórych publikacjach, np. [1−3]. Przeprowadzone w tych opracowaniach analizy budzą wątpliwości. W większości przypadków brakuje w nich niestety precyzyjnego opisu przyjętych założeń, co uniemożliwia weryfikację i ocenę poprawności badań. Przykładem artykułu rzetelnie prezentującego badania pomp ciepła (z wężownicą poziomą) jest zdaniem autora publikacja Jarosława Dąbrowskiego [4].

Kwestią podstawową jest wyznaczanie zużycia energii cieplnej w ciągu roku i jej kosztów w zależności od sposobu zasilania. Szczególnie przydatna jest tu analiza dotycząca sposobu sporządzania tzw. „uporządkowanego wykresu obciążeń cieplnych”. W branży energetycznej być może powszechniej znana jest praca [5]. Znajomość tych podstaw jest niezbędna, by móc pisać o efektywności energetycznej układów z pompami ciepła. Zmodyfikowany uporządkowany wykres obciążeń cieplnych szczegółowo przedstawiony został w artykule [6].

W miejscowości Głębokie (woj. zachodniopomorskie) zrealizowano relatywnie duży obiekt z pompami ciepła [1, 7]. Obszerny opis tej inwestycji przedstawiono w artykule [1], ale podano tam jedynie charakterystyki projektowe, bez pomiarów dokonanych po uruchomieniu instalacji. Zastosowane zostały trzy pompy ciepła (o sumarycznej mocy 59 kW) z sondami pionowymi (19 otworów o długości od 27 do 50 m) i wężownicami poziomymi (o łącznej długości ok. 850 m na głębokości ok. 1,5 m). Wyniki pomiarów rzeczywistych parametrów pracy takich instalacji w decydującym stopniu przyczynić się mogą do dokładniejszego projektowania układów z pompami ciepła.

Przebieg zapotrzebowania na ciepło w ciągu roku

W podstawowej literaturze przedmiotu opisane zostało kształtowanie się zapotrzebowania na ciepło w ciągu roku. Analizę porównawczą przeprowadzono na podstawie potrzeb cieplnych domu jednorodzinnego. Nawet jeżeli do analizy przyjmuje się umowne dane, powinny one bazować na przykładach zaczerpniętych z rzeczywistych obiektów.Autorzy publikacji [3] przyjmują, że „zużycie energii wynosi 87 GJ w ciągu roku”. Nie podają jednak mocy cieplnej odbiorników ciepła (centralne ogrzewanie i ciepła woda użytkowa), a także wahań poboru ciepła w ciągu doby, tygodnia i roku. Założono, że w domu jednorodzinnym mieszkają cztery osoby i zużywają średnio po 60 litrów c.w.u. na dobę. Na tej podstawie można wyliczyć zużycie energii do podgrzewania ciepłej wody użytkowej w ciągu roku. Średnia moc cieplna do podgrzewania ciepłej wody Q_cwu^sr wynosi:

Zużycie energii do przygotowania c.w.u. wynosi:

Bazując na krzywej klimatycznej Wrocławia w sezonie ogrzewczym 2008/2009 [8], sporządzono uporządkowany wykres obciążeń cieplnych. Podstawowa charakterystyka sezonu ogrzewczego: τ_co = 4824 h, t_zewn. = 4,08°C, ϕ = 0,419. Ilość energii do centralnego ogrzewania wynosi:

Średnia moc cieplna potrzebna do centralnego ogrzewania w sezonie ogrzewczym wynosi:

Obliczeniowa moc cieplna na centralne ogrzewanie (przy obliczeniowej temperaturze zewnętrznej tzewn. obl. = –18°C) wynosi:

Na rys. 1 przedstawiono otrzymany uporządkowany wykres obciążeń cieplnych domu jednorodzinnego.

Charakterystyka pompy ciepła

Pracę pompy ciepła charakteryzuje współczynnik COP, definiowany jako:

gdzie:

Q – moc cieplna pompy ciepła [kW],

Nsp – moc elektryczna sprężarki pompy ciepła [kW].

Producenci podają wartości COP przy charakterystycznych temperaturach dolnego i górnego źródła ciepła. Na przykład B0/W35 oznacza, że temperatura solanki z sond pionowych lub wężownicy poziomej wynosi t_g= 0°C, a wody ogrzewanej t_co= 35°C. Często podaje się również wartość COP przy parametrach B0/W55. Na rys. 2 i 3 przedstawiono przykładowe charakterystyki pomp ciepła [9]. Charakterystyki te mogą stanowić podstawę doboru mocy pompy ciepła.

Temperatura gruntu

Ponieważ przyjęto, że dolnym źródłem ciepła są sondy pionowe, konieczne jest określenie temperatury gruntu w ciągu roku. Posłużono się do tego celu materiałami do projektowania jednego z producentów pomp [10]. Ponieważ zalecana długość sond pionowych wynosi około l_sond= 35 m, to założono, że temperatura dolnego źródła ciepła jest stała przez cały rok i wynosi t_g= 10°C =const.

Aby mieć pewność, że słońce nie będzie oddziaływać na temperaturę solanki, należy zdaniem autora zaizolować sondy na długości 10–15 m.

Dobór pompy ciepła

Na podstawie charakterystyki mocy cieplnej pompy ciepła (rys. 2), przy temperaturze gruntu równej tg= 10°C, do obliczeń przyjęto pompę SOLO 9MR. Moc cieplna tej pompy wynosi Q_pc³⁵=11,5 kW (przy temperaturze górnego źródła ciepła równej t_co= 35°C, COP³⁵= 5,0) i Q_pc⁵⁵= 11,0 kW (przy temperaturze górnego źródła ciepła równej t_co= 55°C, COP⁵⁵= 3,5).

Zakłada się, że pompa ciepła jest jedynym źródłem energii (takie samo założenie przyjęto w artykule [3]). Powoduje to, że temperatura górnego źródła ciepła do przygotowania c.w.u. wynosi tco= 60°C (ciepła woda musi być podgrzana do temperatury t_cw= 55°C). Należy wyznaczyć uzyskiwaną moc cieplną i współczynnik COP. Sposób wyznaczania tych wartości pokazano na rys. 5.

Ekstrapolacja charakterystyk pozwala na określenie mocy cieplnej (Q_pc=10,7kW) i współczynnika COP = 2,5, przy temperaturze górnego źródła ciepła wynoszącej t_co= 60°C.

Podgrzewanie ciepłej wody użytkowej

Średnia moc cieplna do przygotowywania ciepłej wody użytkowej wynosi Q_cwu^sr = 0,50 kW. Maksymalną moc cieplną można wyliczyć na podstawie polskiej normy Instalacje wodociągowe [11]. Zawiera ona zależność potrzebną do wyznaczenia współczynnika nierównomierności poboru ciepłej wody K_h w postaci:

Stąd maksymalna moc cieplna do podgrzewania c.w.u. wynosi:

Dobrana pompa ciepła SOLO 9MR może podgrzewać ciepłą wodę użytkową nawet przy maksymalnym poborze godzinowym.

Lepszym rozwiązaniem jest ładowanie zasobnika ciepłej wody i korzystanie z niej na bieżąco. Zwykle do instalacji ciepłej wody stosowane są zasobniki o objętości V_z = 300 lub 500 dm³. Przyjęto, że sprawność akumulacji ciepła w zasobniku wynosi η_a = 90%, co oznacza, że musimy uwzględnić dodatkową ilość energii potrzebną do utrzymania temperatury c.w.u. Dla obydwu objętości zasobnika można wyliczyć czas pracy τ_LAD pompy ciepła (ładowanie zasobnika) z pełną mocą, czyli Q_pc = 10,7 kW:

W powyższych zależnościach przyjęto następujące oznaczenia:

ρ – gęstość wody [dm³/kg],

c_p – ciepło właściwe wody [kJ/(kg×K)],

Δt – podgrzanie ciepłej wody [K].Wcześniej przyjęto, że średnie zużycie ciepłej wody użytkowej wynosi qj = 60 dm³/os×dobę, więc czas rozładowania zasobników wyniesie:

Moc elektryczna potrzebna do napędu sprężarki (przy pełnej mocy cieplnej pompy ciepła) wynosi:

Czas pracy pompy ciepła w ciągu roku:

Czas pracy pompy ciepła powinien być taki sam w przypadku zasobnika o pojemności 500 i 300 dm³.

Roczne zużycie energii elektrycznej do napędu sprężarki pompy ciepła wynosi:

Cenę energii elektrycznej oszacowano według taryfy G11 [12] na c_EnEl = 0,4 zł/kWh (brutto). Koszt energii elektrycznej do podgrzewania ciepłej wody użytkowej za pomocą pompy ciepła wynosi:

Dla porównania oszacowano koszty zakupu energii z systemu ciepłowniczego. Według komunikatu prezesa Urzędu Regulacji Energetyki [13] średnia cena ciepła sieciowego w roku 2009 wynosiła c_j ^sn = 35,45 zł/GJ (netto), czyli brutto c_j^sb = 43,25 zł/GJ. Roczny koszt podgrzewania ciepłej wody użytkowej z systemu ciepłowniczego wynosi:

Jak widać, dostawa ciepła za pomocą pompy ciepła jest droższa niż z sieci ciepłowniczej. Skutki ekologiczne Według K. Żmijewskiego [14] sprawność dostawy energii elektrycznej wynosi η_EnEl = 25%. Zużycie energii elektrycznej (P_sp = 1957 kWh) wymaga (szczególnie w Polsce) spalenia odpowiednich ilości węgla. Do wyprodukowania takiej ilości energii elektrycznej potrzeba go:

W ciągu roku w elektrowni należy zużyć B = 1,323 Mg węgla do wytworzenia energii do zasilenia pompy wytwarzającej c.w.u. Można również wyznaczyć, ile powstanie CO₂ przy produkcji energii elektrycznej [15]. Wskaźnik emisji CO₂ odnoszony jest do energii chemicznej paliwa, konieczne jest więc uwzględnienie sprawności wytwarzania energii użytkowej. Według [15] wskaźnik emisji w elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych wynosi WE = 94,13 kg_CO2/GJ. Wielkość emisji dwutlenku węgla wyniesie:

Na podstawie danych zawartych w publikacji [15] wyznaczono zależność ilości CO₂ od wartości opałowej węgla kamiennego (rys. 6). Dzięki uzyskanej zależności można wyliczyć wskaźnik emisji CO₂ dla ekogroszku, którego wartość opałowa wynosi W_o^EKO = 27,30 MJ/kg:

Natomiast ilość wytworzonego w ciągu roku dwutlenku węgla podczas podgrzewania ciepłej wody użytkowej za pomocą kotła na ekogroszek wynosi:

Gdyby ciepła woda użytkowa była wytwarzana w kotle na ekogroszek z palnikiem retortowym, to zużycie węgla wyniosłoby W_o^EKO = 27,3 GJ/tonę, η_EKO = 75%:

Jak wynika z powyższych rozważań, tak długo jak sprawność dostaw energii elektrycznej wynosić będzie tylko 25% [14], pompa ciepła nie będzie prawdziwą konkurencją dla innych źródeł ciepła jako jego ekologiczne źródło. Ilość dwutlenku węgla emitowanego podczas wytwarzania niezbędnej ilości energii elektrycznej do napędu sprężarki jest większa niż w przypadku kotła na ekogroszek. Koszty ekogroszku można wyliczyć (cena c_EKO = 600 zł/t) następująco:

Należy również zwrócić uwagę na konieczną pracę (nawęglanie, odpopielanie, dozór), którą musi wykonać lub zlecić właściciel.

Podsumowanie

Pompa ciepła jest z pewnością najlepszym źródłem ciepła wszędzie tam, gdzie nie ma innych nośników energii niż energia elektryczna. Należy jednak pamiętać, że aby tak było, wskaźnik COP nie powinien być mniejszy niż 2,5 (wartość średnia). Przyjmowanie w analizach wartości COP równej 4,0 jako wartości stałej jest niewłaściwe, gdyż COP zmienia się w trakcie pracy pompy. Przy zastosowaniu dolnego źródła ciepła w postaci sond pionowych można przyjmować stałą temperaturę t_g = 10°C, należy jednak to przypuszczenie zweryfikować eksperymentalnie. Nie są to oczywiście wszystkie wątpliwości, należy np. przeanalizować również pracę pompy ciepła na potrzeby centralnego ogrzewania.

W niektórych dotychczasowych publikacjach nie uwzględniono podstawowej i aktualnej literatury z zakresu efektywności technicznej i ekonomicznej, przede wszystkim uporządkowanych wykresów obciążeń cieplnych. W niniejszym artykule oszacowano koszty eksploatacyjne pomp ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej, zakupu ciepła w systemach ciepłowniczych oraz zastosowania kotłów na ekogroszek. Porównano również efekty ekologiczne poszczególnych sposobów przygotowywania c.w.u.

Wynika z tego, że należy starannie analizować parametry pracy pomp ciepła, aby zastosowane rozwiązanie było opłacalne i przynosiło efekty ekologiczne. Jeśli założenia projektowe będą przyjmowane na podstawie nierzeczywistych warunków, a efekt końcowy nie będzie zgodny z założeniami, może to przynieść szkody dla pożądanego upowszechnienia się stosowania pomp ciepła. Urządzenia te, szczególnie z sondami pionowymi (stała temperatura dolnego źródła ciepła przez cały rok), mają ewidentne zalety i należy dążyć do ich pełnego wykorzystania. Duże nadzieje wiązać można z tworzeniem układów hybrydowych, łączących pompy ciepła z innymi źródłami energii.

Literatura

1. Nowak W., Stachel A., Borsukiewicz-Gozdur A., Zastosowanie odnawialnych źródeł energii, Wyd. Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2008.
2. Zawadzki M., Kolektory słoneczne, pompy ciepła na tak, Polska Ekologia, Warszawa 2003.
3. Śniechowska B., Kęskiewicz P., Danielewicz J., Pompy ciepła na tle innych nośników energii w aspekcie kosztów wytwarzania ciepła na potrzeby ogrzewania i przygotowania ciepłej wody, „Instal” nr 6/2010.
4. Dąbrowski J., Efektywność pompy ciepła z poziomym kolektorem gruntowym, „COW” nr 4/2009.
5. Kołodziejczyk L., Gospodarka cieplna w ogrzewnictwie, ARKADY, Warszawa 1984.
6. Śnieżyk R., Szałański P., Modyfikacja uporządkowanego wykresu obciążeń, „Rynek Energii” nr 6/2006.
7. www.wodterm.pl.
8. Śnieżyk R., Koszty ciepła w spółdzielniach mieszkaniowych, „Administrator” nr 6/2010.
9. Pompa ciepła SOLO, karta katalogowa, www.dedietrich.pl.
10. Karta katalogowa, www.dimplex.pl.
11. PN-92/B-01706. Instalacje wodociągowe.
12. Ceny energii elektrycznej, biuletyn branżowy URE, www.ure.gov.pl.
13. Komunikat Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki w sprawie cen w ciepłownictwie, 25 lipca 2010 r., www.ure.gov.pl.
14. Żmijewski K., Białe certyfikaty – trudne dylematy. Czy stać nas na nieoszczędzanie?, debata „Białe Certyfikaty”, Procesy Inwestycyjne, Warszawa, 14 lipca 2009 r., www.proinwestycje.pl.
15. Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO 2 w roku 2007 do raportowania w ramach Wspólnotowego Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji za rok 2010, KASHUE, www.kashue.pl.