Jak uwzględnić zmiany klimatyczne w projektowaniu instalacji c.o. z pompami ciepła

Rzetelną analizę zmian rozkładu temperatur zewnętrznych w sezonie grzewczym oraz próbę określenia aktualnej projektowej temperatury zewnętrznej na podstawie danych meteorologicznych w ostatniej dekadzie (2011–2020), a także wskazówki dla projektantów zawarto w wydanym w 2021 r. poradniku Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła pt. Zmiany klimatu i ich wpływ na projektowanie instalacji c.o. z pompami ciepła w budynkach. Współczynnik SCOP pomp ciepła w metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynków [1].

W opracowaniu odniesiono się do rozkładów temperatury zewnętrznej w ostatniej dekadzie w kontekście rozkładu temperatur klimatu chłodnego i umiarkowanego używanego w etykietowaniu energetycznym i ekoprojekcie pomp ciepła [2]. Uporządkowany rozkład temperatury zewnętrznej i prawidłowy dobór temperatury biwalentnej ma bowiem istotne znaczenie przy doborze pomp ciepła, szczególnie urządzeń typu powietrze/woda.

Wzrost temperatury zewnętrznej

Na tle wcześniejszych lat ostatnia dekada była w Polsce wyjątkowo ciepła. Średnia temperatura obszarowa Polski osiągnęła aż 9,1°C – w okresie referencyjnym 1961–1990 było to 7,5°C (rys. 1). Bazując na danych dotyczących średnich temperatur rocznych i sezonowych, można jednoznacznie stwierdzić, że klimat w Polsce uległ znacznemu ociepleniu, a miniona dekada była najcieplejsza w całym okresie pomiarowym (co najmniej od 1781 roku) i aż o 0,8°C cieplejsza od dekady poprzedniej. To znacznie szybszy wzrost temperatury, niż wynikałoby z prognoz przedstawianych w raportach IPCC, według których temperatura w środkowej części kontynentu europejskiego powinna obecnie rosnąć o ok. 0,2–0,4°C na dekadę.

Wraz ze wzrostem średnich temperatur dobowych obserwuje się też spadek liczby stopniodni grzewczych w sezonie grzewczym – liczba ta wynosi 0, jeśli średnia dobowa temperatura T_śr przekracza 15°C, a dla T_śr niższych od 15°C oblicza się ją jako 18 – T_śr, np. dla dnia z T_śr = 2°C liczba stopniodni wynosi 18 – 2 = 16, a następnie sumuje się stopniodni w kolejnych dniach sezonu grzewczego, co daje informacje o zapotrzebowaniu na ciepło w całym sezonie. Od okresu 1961–1990 liczba stopniodni w roku spadła o kilkanaście procent. Obrazowo można stwierdzić, że w wyniku ocieplenia klimatu aktualne zapotrzebowanie na ogrzewanie na Suwalszczyźnie jest zbliżone do tego z Niziny Szczecińskiej sprzed półwiecza.
Analiza uporządkowanych rozkładów temperatury

Rozporządzenia wykonawcze realizujące wymogi ekoprojektu w zakresie pomp ciepła [2] opierają się na danych dotyczących trzech rodzajów klimatu występujących w Europie:

• klimat chłodny – dane klimatyczne odnoszą się do Helsinek (Finlandia),
• klimat umiarkowany – dane klimatyczne odnoszą się do Strasburga (Francja),
• klimat ciepły – dane klimatyczne odnoszą się do Aten (Grecja).

Dane klimatyczne wykorzystywane są przez producentów do obliczeń wartości współczynnika SCOP (a następnie do przeliczania wartości h_s) dla temperatury zasilania 35 i 55°C. W karcie produktu podaje się więc sześć różnych wartości SCOP: trzy pary wartości współczynników w odniesieniu do typów klimatu: chłodnego, umiarkowanego i ciepłego i do każdej projektowej temperatury zasilania (35 i 55°C).

Czytaj też: Elektroniczne i programowalne głowice termostatyczne >>

Zastosowanie znajduje także uporządkowany wykres temperatur zewnętrznych (odpowiada np. na pytanie, ile było w ciągu roku godzin z daną temperaturą zewnętrzną lub niższą), opracowywany dla typowych lat meteorologicznych. Typowy rok meteorologiczny dla obliczeń energetycznych ISO został opracowany przez International Organization for Standardization i zaakceptowany przez CEN jako norma EN ISO 15927-4. Roczny ciąg danych pogodowych dla obliczeń energetycznych tworzony jest na podstawie 12 miesięcy wybranych z minimum 10 lat obserwacji meteorologicznych dla danej lokalizacji. Metodykę wyboru każdego z 12 miesięcy szczegółowo opisano w normie [4].

Wykres na rys. 2 przedstawia uporządkowane rozkłady typowych lat meteorologicznych dla okresu 1971–2020 na tle uporządkowanych rozkładów dla trzech typów klimatów. Odpowiada m.in. na pytanie, ile było w ciągu roku godzin z daną temperaturą zewnętrzną (lub niższą). Przykładowo liczba godzin w roku z temperaturą równą lub niższą 0°C wynosi odpowiednio: 0 godzin – w przypadku klimatu ciepłego, 1000 godzin – w przypadku klimatu umiarkowanego, 3000 godzin – w przypadku klimatu chłodnego.

Zgodnie z zasadami stosowanymi przy określaniu projektowych temperatur zewnętrznych podanymi w załączniku normy PN-EN 12831 [6] temperatura projektowa zewnętrzna w danej lokalizacji jest średnią temperaturą pięciu najchłodniejszych dni występujących obok siebie w okresie 30 lat. Dla zobrazowania rzeczywistych rozkładów temperatur zewnętrznych i ich porównania do rozkładu dla klimatu chłodnego i umiarkowanego w poradniku przeanalizowano, ile wynosiłaby projektowa temperatura zewnętrzna przy założeniu średniej z pięciu najchłodniejszych dni (120 godzin) występujących obok siebie w danym roku dla pięciu reprezentatywnych lokalizacji w Polsce:

1. Łeba(I strefa klimatyczna – projektowa temperatura zewnętrzna: –16°C),
2. Poznań(II strefa klimatyczna – projektowa temperatura zewnętrzna: –18°C),
3. Kraków(III strefa klimatyczna – projektowa temperatura zewnętrzna: –20°C),
4. Białystok(IV strefa klimatyczna – projektowa temperatura zewnętrzna: –22°C),
5. Suwałki(V strefa klimatyczna – projektowa temperatura zewnętrzna: –24°C).

W Poradniku znalazły się odesłania do danych w pdf i w arkuszach kalkulacyjnych z rzeczywistymi rozkładami temperatur dla kolejnych lat z okresu 2011–2020, dla pięciu lokalizacji reprezentujących różne strefy klimatyczne w Polsce. Na potrzeby artykułu podano przykładowe szczegółowe wyniki dla Poznania znajdującego się w II strefie klimatycznej (tabela 1). Analizy takie przeprowadzono dla wszystkich pięciu lokalizacji. W tabeli 2 zestawiono najniższe i średnie najniższe temperatury zewnętrzne dla dekady 2011–2020 we wszystkich pięciu lokalizacjach i porównano je z temperaturami projektowymi zawartymi w normie PN-EN 12831 [6]. Z analitycznej części poradnika autorzy wysnuli następujące wnioski i sformułowali rekomendacje [1]:

1. Wyliczone najniższe temperatury projektowe zewnętrzne w poszczególnych latach okresu 2011–2020 nie odbiegają w istotnym stopniu od projektowych temperatur zewnętrznych z załącznika normy PN-EN 12831 [6]. Najchłodniejszym rokiem w ostatniej dekadzie był 2012. Sugerowane jest sprawdzenie danych meteorologicznych z ostatnich 30 (lub 20) lat pod kątem określenia średniej temperatury zewnętrznej pięciu kolejnych najchłodniejszych dni i ewentualna zmiana danych w załączniku normy PN-EN 12831 [6].
2. Wyliczone wartości średnie najniższej projektowej temperatury zewnętrznej w poszczególnych latach okresu 2011–2020 zestawiono w tabeli 2, kolumna E. Poradnik [1] sugeruje przeprowadzenie doboru temperatury punktu biwalentnego (w trybie pracy równoległej) w przypadku pomp ciepła typu powietrze/woda w pobliżu wartości równej średniej najniższej temperaturze z lat 2011–2020. Dobór mocy grzewczej pompy ciepła i temperatury punktu biwalentnego na podstawie temperatury wynikającej z kolumny E zapewni, że przeciętny udział pracy grzałki w sezonie grzewczym nie przekroczy 1% udziału ciepła przekazywanego na potrzeby ogrzewania budynku (praca grzałki będzie realizowana przez mniej niż 60 godzin w sezonie grzewczym).
3. Analiza uporządkowanych rozkładów temperatury zewnętrznej wyraźnie wskazuje, że w ostatnich 10 latach nastąpił istotny wzrost temperatury zewnętrznej w sezonie grzewczym. Zdaniem poradnika niezbędne jest pilne zaktualizowanie rozkładu typowego roku meteorologicznego w oparciu o ISO [4] dla lat 1971–2000 na podstawie aktualnych danych z okresu 2001–2020 lub 2011–2020. Ma to szczególne znaczenie przy zastosowaniu takich technologii jak pompy ciepła w kontekście określania realnych wartości współczynników SCOP, silnie zależnych od rzeczywistego rozkładu temperatur zewnętrznych.
4. Wyliczone krzywe regresji wartości temperatury zewnętrznej projektowej dla wybranych lat z okresu 2011–2020 wskazują na wyraźną tendencję wzrostu temperatury. Przy dalszym wzroście temperatur zewnętrznych warte rozważenia będzie skrócenie do 10 lat okresu statystycznego służącego do stworzenia typowego roku meteorologicznego i podawanie zmian dotyczących okresu np. 5 lat.

Wytyczne w zakresie podawania sprawności (efektywności) pomp ciepła

Cenną częścią poradnika [1] są szczegółowe Wytyczne w zakresie podawania sprawności (efektywności) pomp ciepła w metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku.

Wartości SCOP_c.o. wiążące się z pracą urządzenia na potrzeby c.o. oraz wartości SCOP_c.w.u. związane z pracą na potrzeby c.w.u. można obliczyć na podstawie zadeklarowanych przez producenta pompy ciepła w karcie produktu (co wynika z wymogów ekoprojektu) wartości współczynników η_s (eta s) i ηwh (eta wh – tylko w przypadku pomp ciepła z wbudowanym zasobnikiem c.w.u.).

Wartości SCOP na potrzeby ogrzewania (określane w poradniku i dalszej części niniejszego artykułu jako SCOP_c.o.) wg normy PN-EN 14825 [7] dla klimatu umiarkowanego i chłodnego można odczytać bezpośrednio z danych technicznych pomp ciepła dostarczanych przez producentów urządzeń. Inną metodą jest przeliczanie SCOP na podstawie wartości η_s zadeklarowanych w karcie produktu pomp ciepła – są one deklarowane dla temperatury projektowej zasilania 55°C dla klimatu: umiarkowanego (Strasburg), chłodnego (Helsinki), ciepłego (Ateny). Dodatkowo producenci deklarują wartość η_s w przypadku temperatury projektowej zasilania 35°C (ogrzewanie płaszczyznowe) dla klimatu umiarkowanego, chłodnego i ciepłego.

Wartość średniej sezonowej sprawności wytwarzania ciepła z nośnika energii lub energii dostarczonej do źródła ciepła η_H,g przyjmuje się w oparciu o dane udostępnione przez producenta urządzenia grzewczego, w tym przypadku pompy ciepła.

Dopiero w sytuacji braku takich danych przyjmuje się wartości η_H,g określone w tabeli 2 rozporządzenia w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej [8].

SCOP jest odpowiednikiem wartości średniej sezonowej sprawności wytwarzania ciepła η_H,g dla każdego z podanych rodzajów klimatu i projektowej temperatury zasilania 35 lub 55°C, zgodnie z następującymi wzorami [7]:

• pompy ciepła typu solanka/woda, bezpośrednie odparowanie w gruncie i woda/woda:
  (1)
• pompy ciepła typu powietrze/woda:
  (2)

gdzie:
SCOP_{PN 14825} – sezonowy współczynnik efektywności energetycznej uwzględniający pobór mocy (energii) przez napęd dolnego źródła ciepła i drugiego, szczytowego urządzenia grzewczego (grzałki elektrycznej). Wartość SCOP wyliczana na podstawie normy PN-EN 14825 [7] nie obejmuje zużycia energii elektrycznej związanej z pracą pompy obiegowej dolnego źródła, ale bierze pod uwagę zużycie energii elektrycznej przez grzałkę elektryczną, uwzględnia również proces odszraniania (w przypadku jednostki typu powietrze/woda).

Przykład obliczeniowy 1

Wyliczone wartości SCOP przyjmują wielkości podane w tabeli 3. Z kolei w tabeli 4 podano przykładowe dane z karty produktu pompy ciepła typu powietrze/woda.

W przypadku założenia temperatury projektowej zasilania 40°C (patrz rys. 4) wartość SCOP_c.o. będzie wynosić odpowiednio:

• dla klimatu umiarkowanego: SCOP_c.o. = 4,36,
• dla klimatu chłodnego: SCOP_c.o. = 4,00.

Obszar Polski znajduje się w klimacie chłodnym [7], pomimo że od ok. 8 lat rozkład temperatur uporządkowanych sytuuje go w klimacie umiarkowanym. Należy założyć, że ze względu na coroczną zmienność klimatu SCOP_c.o. będzie się wahać między wartością typową dla klimatu chłodnego a typową dla klimatu umiarkowanego – w przypadku przykładu obliczeniowego 1 między 4,00 a 4,36.

Czytaj też: Kogeneracja w polityce energetycznej Polski >>

Wykres na rys. 4 pokazuje, że w przypadku lokalizacji w Polsce w strefie klimatycznej I, II, III wartość SCOP będzie bliższa SCOP_c.o. strefy umiarkowanej (SCOP_c.o. = 4,36). W przypadku strefy klimatycznej IV i V, bliższej strefie klimatycznej chłodnej, wartość SCOP_c.o. będzie bliższa wartości typowej dla strefy chłodnej (SCOP_c.o. = 4,00). Należy podkreślić, że podane na rys. 4 uporządkowane wykresy temperatur zewnętrznych dla pięciu lokalizacji ze stref od I do V dotyczą lat meteorologicznych w okresie 1971–2000. Uporządkowane rozkłady temperatur zewnętrznych w ostatnich 10 latach (2011–2020) pokazano na rys. 5.

Wzory pozwalające przeliczyć wartości SCOP_c.o. zależnie od strefy klimatycznej w Polsce oraz wyniki dla niniejszego przykładu obliczeniowego zestawiono w tabeli 5.

Wartości SCOP_c.w.u. dla pracy w funkcji ładowania zasobnika c.w.u. pompą ciepła obliczyć można na podstawie karty produktu. W karcie produktu pomp ciepła z wbudowanym zasobnikiem podawane są deklarowane przez producentów wartości η_wh (eta wh) w wybranym profilu poboru c.w.u. (najczęściej L lub XL z temperaturą c.w.u. 55°C) dla klimatu umiarkowanego, chłodnego i ciepłego (ten ostatni nie ma zastosowania na terenie Polski). Na podstawie wartości η_wh można wyliczyć wartość SCOP:

(3)

gdzie:
SCOP_c.w.u. – sezonowy współczynnik efektywności energetycznej obliczany w granicach bilansowania instalacji pompy ciepła, uwzględniający pobór mocy (energii) przez napęd dolnego źródła ciepła i moc (energię) drugiego urządzenia grzewczego oraz dodatkowo pracę pompy ładującej i straty zasobnika c.w.u.;

2,5 – średnia europejska wartość współczynnika nakładu energii pierwotnej w przypadku energii elektrycznej, używana w obliczeniach ekoprojektu.

Przykład obliczeniowy 2

Na potrzeby obliczeń wykorzystano dane z przykładowej karty produktu (tabela 6) i wykonano obliczenia według wzoru (3). Wyniki prezentuje tabela 7.

W przypadku obniżenia temperatury ciepłej wody o ok. 10°C (z 55 do 45°C) współczynnik SCOP rośnie o ok. 10%.

Wzory pozwalające przeliczyć wartości SCOPc.w.u. zależnie od strefy klimatycznej w Polsce oraz wyniki dla niniejszego przykładu obliczeniowego zestawiono w tabeli 8.

Wpływ nowej wersji normy PN-EN 14511:2018 na pompy ciepła

W kwietniu 2021 r. weszła w życie nowa norma PN-EN 14511:2018 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia [9], zastępująca wcześniejszą PN-EN 14511:2013.

Norma jest wiążąca dla wszystkich producentów pomp ciepła. Można przyjąć, że wszystkie urządzenia dostępne na rynku w 2018 roku lub wcześniej były testowane zgodnie ze starą normą PN-EN 14511:2013. Znaczna część pomp ciepła, które weszły na rynek w 2018 roku lub później, mogła być badana już zgodnie z nową wersją normy PN-EN 14511:2018.

Wprowadzenie nowej wersji normy wpływa na takie parametry techniczne pomp ciepła, jak:

• ogrzewanie: COP oraz SCOP (w przypadku różnych klimatów i temperatur zasilania),
• chłodzenie: EER oraz SEER;
• współczynnik η_s (eta s – w przypadku różnych klimatów i temperatur zasilania),
• moc grzewcza pompy ciepła,
• moc chłodzenia pompy ciepła,
• pobór mocy elektrycznej przy grzaniu lub chłodzeniu,
• zmiany danych na etykietach i kartach produktów wg ErP, w tym klas energetycznych.

Korekta danych dotyczących pomp może mieć wpływ również na etykietę ogrzewania i wynikową klasę energetyczną, moc grzewczą oraz współczynnik η_s. Wynika to z faktu, że etykieta energetyczna ErP Label i karta produktu ErP opierają się na normie PN-EN 14825 [7], a norma ta w zakresie metody pomiarowej odnosi się do aktualnej w danym momencie normy PN-EN 14511 [9].

Czytaj też: Wybrane przedsięwzięcia zwiększające efektywność energetyczną przedsiębiorstw >>

W aktualnej wersji normy zawarto m.in. skorygowaną procedurę badań – dzięki temu wyniki badań wydajnościowych są bardziej zbliżone do rezultatów uzyskanych w warunkach rzeczywistych. Niewielkiej zmianie uległ współczynnik korekcyjny pompy obiegowej dotyczący mocy grzewczej i zużycia energii elektrycznej. Rezultatem tego jest uzyskiwanie innych parametrów pracy pompy ciepła, m.in. nieznacznie wzrosło zużycie energii elektrycznej, a obniżył się COP. Ma to wpływ na parametry ogrzewania i chłodzenia, ale nie na wartości związane z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej. Przykładowe dane i ich zmiany dla pompy ciepła powietrze/woda o nominalnej mocy grzewczej 5 kW zobrazowano w tabeli 9 [1]. W przypadku testu według normy z 2013 moc grzewcza jest nieco niższa niż dla normy z 2018, jednak korekty zużycia energii elektrycznej dla 2013 również są nieco niższe niż dla korekty z normy 2018. Efektem jest niższy COP dla korekty wynikającej z normy z 2018 niż dla korekty z normy z 2013.

Nowa norma nadal dopuszcza tolerancję w wysokości 8%. Tolerancja jest konieczna w przypadku pomiarów kontrolnych wykonywanych przez jednostki notyfikowane lub tzw. strony trzecie, aby skompensować wahania produktu wynikające z różnych przyczyn. Część producentów pomp ciepła nie zmienia swoich danych uzyskanych jeszcze w badaniach zgodnych z normą PN-EN 14511:2013 – ze względu na to, że mieszczą się one w dopuszczalnej tolerancji.

Literatura

1. Lachman Paweł, Djaków Piotr, Zmiany klimatu i ich wpływ na projektowanie instalacji c.o. z pompami ciepła w budynkach. Współczynnik SCOP pomp ciepła w metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynków, wydanie I, Kraków, czerwiec 2021, https://portpc.pl/pdf/9kongres/materialy/2021_Poradnik_Zmiany_klimatu.pdf (dostęp: 14.10.2021)
2. Rozporządzenie Komisji (UE) 2016/2281 z dnia 30 listopada 2016 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE ustanawiającej ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów do ogrzewania powietrznego, produktów chłodzących, wysokotemperaturowych agregatów chłodniczych i klimakonwektorów wentylatorowych (Dz.Urz. UE L 346/1 z 20.12. 2016)
3. Dane Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowego Instytutu Badawczego, https://danepubliczne.imgw.pl/ (dostęp: 14.10.2021)
4. PN-EN ISO 15927-4:2007 Cieplno-wilgotnościowe właściwości użytkowe budynków. Obliczanie i prezentacja danych klimatycznych. Część 4: Dane godzinowe do oceny rocznego zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia
5. Dane do obliczeń energetycznych budynków, https://www.gov.pl/web/archiwum-inwestycje-rozwoj/dane-do-obliczen-energetycznych-budynkow (dostęp: 14.10.2021)
6. PN-EN 12831-3 Charakterystyka energetyczna budynków. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego. Część 3: Obciążenie domowych instalacji ciepłej wody użytkowej i charakterystyka zapotrzebowania. Moduł M8-2, M8-3
7. PN-EN 14825-03 Klimatyzatory, agregaty do chłodzenia cieczy oraz pompy ciepła ze sprężarkami napędzanymi elektrycznie, do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń – Badanie i ocena w warunkach częściowego obciążenia oraz obliczanie wydajności sezonowej
8. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376)
9. PN-EN 14511:2018 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia