Układy hybrydowe pompa ciepła z kotłem gazowym

Transkrypt

1 INSTALACJE GRZEWCZE Układy hybrydowe pompa ciepła z kotłem gazowym Analiza dla domu jednorodzinnego Paweł Lachman Jeśli w domu jednorodzinnym o powierzchni ogrzewanej m 2 do istniejącej instalacji z kotłem gazowym na propan lub olejowym dodatkowo podłączy się pompę ciepła powietrze-woda, można znacząco zredukować koszty c.o. i c.w.u. Przekonuje o tym nasza analiza. Potencjał takich modernizacji w Polsce to co najmniej kilkaset tysięcy budynków, a możliwe, że nawet około 1 mln. Polsce mamy około 4 mln budynków W jednorodzinnych z kotłami stałopalnymi. Na podstawie dostępnych danych z Instytutu Ekonomii Środowiska za 13 r. oraz własnych analiz autora, można założyć, że mniej więcej w 3% tych budynków, oprócz kotłów węglowych, zamontowane są również kotły gazowe używane jako drugie źródło ciepła. Podstawowym źródłem ogrzewania jest więc kocioł węglowy, gazowy używany jest okazjonalnie. Oznacza to, że potencjalny rynek zastosowania pomp ciepła powietrze-woda w układach hybrydowych może sięgać nawet około miliona istniejących budynków jednorodzinnych. W tych domach często nastąpiła już częściowa termomodernizacja, jednak przewidywane koszty kolejnej częściowej lub pełnej termomodernizacji są na tyle duże, że okres zwrotu nakładów przedsięwzięcia przekroczy 3- lat. W wielu przypadkach najbardziej opłacalnym rozwiązaniem może być zastosowanie układu hybrydowego pompa ciepła z kotłem gazowym. Założenia do analizy Analizie poddany został budynek jednorodzinny o powierzchni ogrzewanej m 2, zlokalizowany w Białymstoku (zewnętrzna temperatura projektowa -22 C). Wybór lokalizacji uwzględnia stosunkowo niekorzystne warunki rozkładu temperatury zewnętrznej, zbliżone do klimatu chłodnego (według rozporządzeń wykonawczych Komisji Europejskiej 811 i 813 z 13 r., 1. Pompa ciepła powietrze-woda może być najbardziej opłacalnym dopełnieniem istniejących instalacji w domach jednorodzinnych, które poddaje się modernizacji. W naszej analizie została wzięta pod uwagę pompa ciepła firmy Vaillant takiego jak w Helsinkach). Do obliczeń zostały użyte komputerowe programy symulacyjne firmy Vaillant geosoft z r. oraz WP-OPT 4.8 (szczegółowe obliczenia z rozkładem godzinowym). Oczywiście, można próbować liczyć na piechotę, ale byłoby to obarczone sporym ryzykiem błędu oraz wymagałoby wielogodzinnego nakładu pracy. Pozostałe przyjęte założenia do obliczeń: zapotrzebowanie projektowe mocy budynku 14 kw (7 W/m 2 dla temperatury projektowej zewnętrznej -22 C); projektowa temperatura zasilania 6/4 C (dla -22 C); utrzymywana temperatura pomieszczeń C; instalacja grzejnikowa pracująca według krzywej grzewczej; zyski wewnętrzne i zyski słoneczne budynku po 3 kwh/rok; temperatura graniczna grzania budynku 16 C; zapotrzebowanie c.w.u. l/dobę ( l/osobę na dobę); żądana temperatura c.w.u. C; pojemność podgrzewacza zasobnikowego (dwuwężownicowego, biwalentnego) 2 l. Analiza kosztów pompy ciepła została przeprowadzona w oparciu o dwie taryfy elektryczne: G11, całodobową 8 gr/kwh; G12, nocną 33 gr/kwh i dzienną 67 gr/kwh, w stosunku 4/%. 16 Polski Instalator /

2 INSTALACJE GRZEWCZE 2. Programy geosoft i WP-OPT wykorzystane do doboru i symulacji układów hybrydowych z pompą ciepła w analizowanym budynku W obliczeniach uwzględniono monoblokową pom pę ciepła ze sprężarką inwerterową typu powietrze-woda atotherm VWL /2 firmy Vaillant. Symulacje i obliczenia w WP-OPT WP-OPT jest symulacyjnym programem komputerowym służącym do obliczania, doboru i optymalizacji instalacji grzewczych z pompami ciepła. Występują też jego specjalne, ale i okrojone wersje, np. program geosoft czy VITO-WP, pracujące w oparciu o główny silnik programu WP-OPT. Program ten umożliwia praktyczne i stosunkowo szybkie projektowanie instalacji grzewczych i c.w.u. z pompami ciepła. Chwilowe parametry pompy ciepła, temperatura dolnego źródła, warunki temperaturowe instalacji grzewczej wpływają na siebie wzajemnie w taki sposób, że trudno jest przygotować prawidłową prognozę warunków pracy oraz kompleksową analizę ekonomiczną instalacji bez używania symulacji komputerowych. Za pomocą programu WP-OPT, po wprowadzeniu danych dotyczących systemu grzewczego, można wykonać symulację takich parametrów pracy, jak: roczny współczynnik efektywności SCOP, przebieg temperatury dolnego źródła i instalacji grzewczej oraz roczne koszty eksploatacji. Natomiast po wprowadzeniu danych dotyczących budynku, ciepłej wody, taryf i dolnego źródła, program WP-OPT pomaga wyszukać odpowiednią pompę ciepła. Dla gruntowych pomp ciepła (solanka-woda lub z bezpośrednim odparowaniem) program oblicza i dobiera minimalny wymiennik ciepła dolnego źródła. Program symuluje i oblicza następujące wartości: roczny współczynnik efektywności SCOP pompy ciepła; 3. Dane dotyczące uwzględnionej w analizie inwerterowej pompy ciepła arotherm VWL /2 temperaturę biwalentną przełączania pompy ciepła; koszty eksploatacji łącznie z porównaniem z kotłami olejowymi, gazowymi, na zrębki drewna (pelety), elektrycznymi, w wersji przepływowej lub zasobnikowej; roczne koszty inwestycyjne i roczne koszty całkowite z uwzględnieniem okresów użytkowania elementów, odsetek i rocznego wzrostu cen nośników energii, wraz z porównaniem z kotłami olejowymi, gazowymi, na pelety, elektrycznymi, w wersji przepływowej lub zasobnikowej; zużycie prądu i związane z tym koszty dla poszczególnych taryf energetycznych z po działem na c.o., c.w.u. oraz poszczególne odbiorniki energii (sprężarka, pompa obiegowa, grzałka elektryczna, odmrażanie parownika); 4. Zestawienie wyników obliczeń dla układu hybrydowego w programie WP-OPT 17

3 INSTALACJE GRZEWCZE Kocioł kondensacyjny olej opałowy Kocioł niekondensacyjny olej opałowy Kocioł kondensacyjny G (g. ziemny) Kocioł niekondensacyjny G (g. ziemny) Kocioł kondensacyjny propan Kocioł niekondensacyjny propan Układ hybrydowy z kotłem gaz ziemny (G11) Układ hybrydowy z kotłem gaz ziemny (G12) Układ hybrydowy z kotłem propan (G11) Układ hybrydowy z kotłem propan (G12) przebieg temperatury w dolnym źródle ciepła i górnym źródle ciepła (przy pracy instalacji c.o. według krzywej grzewczej); przeciętne miesięczne zapotrzebowane ciepła oraz związane z nim chwilowe wartości temperatury zasilania i moc grzewczą; ilość energii pobranej z dolnego źródła. Przykład obliczeń w programie WP-OPT dla układu hybrydowego przedstawia rys. 4. Koszty eksploatacyjne i prosty okres zwrotu nakładów Roczne koszty ogrzewania i c.w.u. [zł/rok]. Zestawienie kosztów ogrzewania przykładowego budynku o powierzchni m 2 i przygotowania c.w.u. zasymulowanych programem WP-OPT Moc grzewcza [kw] 2 1 Kocioł gazowy lub olejowy B Wykres mocy pompy ciepła i zapotrzebowania mocy budynku A Pompa ciepła Temperatura zewnętrzna [ C] Maks. moc pompy ciepła Moc dla 3 C Moc dla 4 C Moc dla C Dostępna moc pompy ciepła dla krzywej grzewczej Zapotrzebowanie mocy budynku Na rys. zestawiono koszty ogrzewania analizowanego budynku o powierzchni m 2 i przygotowania c.w.u. przy wykorzystaniu różnych źródeł ciepła i wariantów układów hybrydowych (obliczenia w programie WP-OPT). Zakładając, że łączna wartość nakładów na instalację pompy ciepła to -3 tys. zł, przewidywany prosty okres zwrotu inwestycji wynosi od 3 do lat, jeśli porówna się koszty eksploatacji układu hybrydowego z kosztami eksploatacji samych (istniejących) kotłów gazowych na propan lub kotłów olejowych. W przypadku porównania z kosztami eksploatacji kotłów na gaz ziemny wysokometanowy, prosty okres zwrotu inwestycji wynosi od 6 do 1 lat.! Krótsze okresy zwrotu nakładów inwestycyjnych występują przy modernizacji układów z niekondensacyjnym kotłem olejowym i przy zasilaniu pompy ciepła energią z taryfy G12. Skróceniu okresu zwrotu sprzyja też zastosowanie zaawansowanych rozwiązań sterujących, które analizują w sposób ciągły optymalne kosztowo załączanie pom- py ciepła lub kotła gazowego. Wybrane zagadnienia doboru układu Ponieważ same wyniki nie określają metody obliczeń i dojścia do wyników, poniżej zostały przedstawione niektóre aspekty związane z doborem układu hybrydowego pompy ciepła z kotłem gazowym lub olejowym. Ich bliższe poznanie może pomóc w zrozumieniu i interpretacji wyników obliczeń programu WP-OPT. Określenie temperatury biwalentnej pompy ciepła i wyznaczenie wykresu mocy pompy ciepła. Przy określaniu krzywej mocy pompy ciepła na wykresie należy wziąć pod uwagę rozkład temperatury zasilania według krzywej grzewczej, dla której temperatura zasilania osiąga wartość 6 C przy -22 C. Na wykresie (rys. 6) podana jest maksymalna moc dla różnych wartości temperatury zasilania wody grzewczej. Na podstawie danych mocy wybranej pompy ciepła (dla 3, 4, C) można określić wynikową krzywą maksymalnej mocy odpowiadającą określonym wartościom temperatury zasilania z krzywej grzewczej. Na przecięciu się krzywej mocy pompy ciepła oraz krzywej zapotrzebowania mocy grzewczej budynku i granicznej temperatury zasilania wody grzewczej można wyznaczyć temperaturę biwalentną pompy ciepła (pkt A) równą -7 C. Temperatura graniczna pracy pompy ciepła (pkt B), wynosząca -1 C, wyznaczana jest z pola pracy pompy ciepła maksymalnej możliwej temperatury zasilania dla temperatury powietrza równej -1 C (rys. 6). Sprawdzenie wartości maksymalnej temperatury zasilania z pola pracy pompy ciepła określanego przez producenta. Zadaniem projektantów jest również sprawdzenie wartości maksymalnej temperatury zasilania pompy ciepła wynikających z tzw. pola pracy pompy ciepła (sprężarki). Pole pracy określa taką kombinację temperatury zasilania i temperatury zewnętrznej (dolnego źródła), dla której jest możliwa praca pompy ciepła. Z dostarczonego przez producenta pola pracy pompy ciepła wynika, że dla temperatury powietrza zewnętrznego wynoszącej -1 C maksymalna temperatura zasilania wynosi C, a dla temperatury powietrza - C wynosi ona tylko 43 C. Oznacza to, że pompa ciepła przy temperaturze zewnętrznej poniżej -1 C powinna być wyłączona przy zadanej temperaturze zasilania powyżej C (rys. 6 i 7). Wykres krzywej grzewczej centralnego ogrzewania, wartości COP oraz koszty ogrzewania przy różnych wartościach temperatury zewnętrznej. Program WP-OPT przeprowadza obliczenia przy założeniu pracy instalacji c.o. według krzywej grzewczej. Na podstawie wartości współczynnika COP pomp ciepła dla typowych wartości temperatury (dla A7/W3, 18 Polski Instalator /

4 Temperatura biwalentna -7 o C Tylko pompa ciepła Temperatura -1 o C biwalentna wyłączenia Temperatura projektowa -22 o C Tylko kocioł grzewczy Tempertura zasilania w o C Temperatura zewnętrzna w o C Krzywa grzewcza oraz zakresy pracy pompy ciepła i kotła gazowego lub olejowego A2/W3 ) można określić COP dla innej temperatury zasilania w poszczególnych węzłach, np. przy temperaturze powietrza na zewnątrz -1, -,,, 1 czy C. Na rys. 8 pokazane są wartości COP wybranej pompy ciepła (chwilowe wartości współczynnika efektywności) oraz odpowiadające im koszty ogrzewania budynku w przeliczeniu na gr/kwh. Wykres pokazuje, że w przypadku taryfy nocnej (G12) koszty ogrzewania przy wykorzystaniu pompy ciepła są wyraźnie niższe od kosztów ogrzewania kotłem kondensacyjnym na gaz ziemny wysokometanowy (ok. 2 gr/kwh). Przy temperaturze zewnętrznej poniżej -3 C oraz podczas taryfy dziennej bardziej opłacalne staje się jednak ogrzewanie za pomocą kotła gazowego na gaz wysokometanowy. Obliczenia wskazują na potrzebę zastosowania inteligentnego przełączania urządzeń grzewczych: pompy ciepła i np. kotła gazowego za pomocą regulatorów analizujących na bieżąco realne koszty ogrzewania. Optymalizacja kosztów minimalnych ogrzewania może się odbywać również przez wybieranie mniej efektywnego (wartość COP) urządzenia grzewczego. Na przykład mimo że pompa ciepła będzie pracować ze stosunkowo niskim COP równym 2,2 (dla temperatury zewnętrznej -1 C), to koszt ogrzewania pompą ciepła w czasie taryfy nocnej będzie niższy od kosztu ogrzewania kotłem gazowym o 4%. Uwolnienie taryf energetycznych i wprowadzenie np. taryf dynamicznych może przyczynić się do jeszcze większego wzrostu atrakcyjności stosowania pomp ciepła w układach hybrydowych z kotłem gazowym. Gdy cena energii elektrycznej będzie wysoka, układ sterowania będzie mógł załączyć jako główne źródło ciepła kocioł gazowy. Kiedy będzie niska pompę ciepła. Zależność COP i kosztów ogrzewania od temperatury zewnętrznej kwh] przekazywanego [gr/ Koszt 3 3, 6, 3 27,,, , 4, 4, ,1 13 3, 12 3, 8 1 2, , 2, 2, -1-1 Temperatura zewnętrzna [ o C] Taryfa nocna G12 Taryfa dzienna G12 COP pompy ciepła COP pompy ciepła [-] 8. Zależność COP i kosztów ogrzewania dla 1 kwh (w taryfie dziennej lub nocnej G12) od temperatury zewnętrznej dla analizowanego budynku i wybranej pompy ciepła Reklama 19

5 [ INSTALACJE GRZEWCZE Tabela 1. Szacowane wartości SCOP pompy ciepła dla różnych lokalizacji w Polsce (obliczenia w programie WP-OPT) SCOP dla różnych lokalizacji i stref klimatycznych. W tabeli 1 zostały zestawione wyniki obliczeń sezonowego współczynnika efektywności SCOP wykonanych za pomocą programu WP-OPT. Obliczenia uwzględniają zmianę efektywności pompy ciepła dla różnych prędkości obrotowych inwerterowej sprężarki (mocy grzewczych). T emperatura zewnętrzna [ o C] Lokalizacja i strefa klimatyczna T emperatura zewnętrzna o C] Pole zapotrzebowania ciepła na c.o Uporządkowany wykres temperatury zewnętrznej i podział ciepła na wykresie. Wykres na rys. 9 odpowiada na pytanie, jaka jest statystyczna liczba godzin w danej lokalizacji z temperaturą zewnętrzną niższą lub równą zadanej wartości temperatury (np. w Białymstoku występuje 1991 godz. z temperaturą C, a tylko 192 godz. z temperaturą -1 C). Na wykresie można też pokazać pole symbolizujące wymaganą ilość ciepła, które należy dostarczyć do instalacji c.o. w sezonie grzewczym. Jest ono ograniczone czasem trwania sezonu grzewczego (973 godz. rocznie poniżej 12 C) oraz temperaturą graniczną ogrzewania, którą wyznacza linia pozioma na wysokości +16 C. Wyznaczanie punktu biwalentnego przełączenia (A) i punktu biwalentnego wyłączenia pompy ciepła (B) na uporządkowanym wykresie temperatury zewnętrznej i zapotrzebowania ciepła (rys. 1). Punkt biwalentny Liczba godzin B A Kocioł gazowy Pompa ciepła Współczynnik SCOP Suwałki (V) 3,1 Białystok (IV) 3,8 Warszawa (III) 3, Wrocław (II) 3,31 Gdańsk (I) 3,34 9. Uporządkowany wykres temperatury zewnętrznej dla Białegostoku i adekwatne zapotrzebowanie na ciepło do celów grzewczych analizowanego budynku Liczba godzin 1. Udział ciepła wytworzonego przez pompę ciepła i kocioł gazowy lokalizacja Białystok A załączenia kotła gazowego w opisywanym przykładzie znajduje się na krzywej i odpowiada temperaturze zewnętrznej -7 C. Punkt B, określający temperaturę wyłączenia pompy ciepła, leży na przecięciu linii pionowej przechodzącej przez punkt oznaczający temperaturę zewnętrzną -1 C na krzywej temperatury oraz linii poziomej dla temperatury -2, C. Przy temperaturze powietrza -1 C i temperaturze zasilania C moc pompy ciepła wynosi 7, kw (rys. 6, 7) i aby wyznaczyć na wykresie punkt B trzeba dodatkowo określić proporcję mocy grzewczej w punkcie do mocy maksymalnej przy temperaturze zewnętrznej -22 C: O AUTORZE 7,/14 kw = 3,%, co oznacza, że temperatura odpowiadająca proporcji mocy pompy ciepła odniesionej do mocy projektowej wynosi: C 3,% [ C (-22 C)] = -2, C gdzie: C utrzymywana temperatura pomieszczeń, -22 C projektowa temperatura zewnętrzna, 3,% proporcja mocy grzewczej w punkcie B do mocy maksymalnej pompy ciepła. Utworzone pole pracy kotła gazowego lub olejowego (kolor żółty na rys. 1) jest około -krotnie mniejsze niż pole pracy pompy ciepła (kolor niebieski). Udział ciepła przekazywanego przez pompę ciepła w całym zapotrzebowaniu ciepła na centralne ogrzewanie stanowi około 93%. Przedstawione obliczenia i analizy wskazują, że układy hybrydowe, również w polskich warunkach klimatycznych, mogą stanowić realną alternatywę dla korzystania z samych kotłów gazowych i olejowych. W wielu przypadkach mogą być też bardzo dobrą alternatywą dla kotłów węglowych współpracujących z kotłem gazowym. Artykuł zamyka cykl poświęcony układom hybrydowym pompa ciepła i kocioł gazowy: PI 3/ Układy hybrydowe pompy ciepła z kotłem gazowym. W sam raz do domów istniejących oraz PI 4/ Układy hybrydowe pompy ciepła z kotłem gazowym. Wpływ na sieci elektroenergetyczne i ochronę środowiska. Paweł Lachman, prezes zarządu Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła Polski Instalator /