Ź ródła ciepła i energii elektrycznej

Transkrypt

1 Ź ródła ciepła i energii elektrycznej Efektywność pracy sprężarkowych pomp grzejnych w warunkach charakteryzujących system ogrzewczy Efficiency of compressor heating pumps in conditions characterizing heating system PIOTR KUBSKI Przypomniano podstawowy warunek energetyczny, przy którym można uznać, że sprężarkowa pompa grzejna korzysta z zasobów energii odnawialnej otoczenia. Jest nim odpowiednia wartość graniczna współczynnika sezonowej efektywności SPF takiej pompy, który powiązano ze sprawnością krajowego systemu elektroenergetycznego. Podjęto analizę energetyczną przypadku zagospodarowywania odnawialnych zasobów energii zakumulowanych w otoczeniu, dla kilku typowych warunków pracy, uwzględniając różne spotykane dolne źródła ciepła, różne zakresy zmienności nośnika ciepła a także różne wartości sprawności systemu grzewczego. W analizie wyznaczono podstawowe wskaźniki charakteryzujące pracę pompy grzejnej: nakład energii pierwotnej na zagospodarowanie jednostki energii odnawialnej, zasób energii użytkowej uzyskiwany z jednostki energii odnawialnej oraz zasób energii użytkowej przypadający na jednostkę energii pierwotnej. Wybrane przypadki zilustrowano w oparciu o dane liczbowe zawarte w załączniku nr 1. do rozporządzenia [7] o metodyce wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku. Słowa kluczowe: efektywność pracy pompy ciepła, odnawialne zasoby energii The basic condition of the energy is reminded at which it can be concluded that the heating pump compressor uses renewable environment energy resources. It is the appropriate boundary SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) value of such a pump, which has been associated with the efficiency of the national electricity system. An analysis has been made of the case of managing renewable energy, accumulated in the environment for several common operating conditions, taking into account the various common lower heat sources, different ranges of variation of the heat carrier and the different efficiency values of the heating system. The analysis determined the main indicators characterizing the operation of the heat pump: The primary energy expenditure for the development of renewable energy unit, Usable energy resource derived from renewable energy unit and Usable energy resource per unit of primary energy. The case is illustrated on the basis of the figures contained in Annex 1 to the Regulation [7] on the methodology for determining the energy performance of the building. Keywords: heating pump efficiency, renewable energy resources Wprowadzenie Ocena efektywności energetycznej maszyn i urządzeń to ważny i aktualny problem techniczny. Dotyczy, mimo zauważalnego postępu technicznego, także pomp grzejnych (pomp ciepł. Również istotnym problemem związanym z eksploatacją pomp grzejnych, obok ich efektywności, jest ocena ilości pobranej energii z zasobów odnawialnych. Zagadnienie to ma rozwiązanie zawarte w dyrektywie unijnej [1] poświęconej szeroko rozumianemu promowaniu energii ze źródeł odnawialnych, bowiem niektórymi zapisami odnosi się również do problematyki pomp grzejnych. Uzupełniono te wymagania w decyzji unijnej [2]. Wskazano w dyrektywie, wbrew niektórym błędnym interpretacjom, że tylko zasób energii pobrany w dolnym źródle ciepła przez pompę grzejną, może być zaliczany do efektu zagospodarowywania energii odnawialnej. Ale tylko wówczas, gdy spełniony jest warunek uzyskania odpowiedniej efektywności energetycznej jej działania, gdyż tylko takie pompy wg wskazanej dyrektywy wykorzystują zasoby energii odnawialnej. W warunku tym powiązano szacunkowy przeciętny współczynnik efektywności energetycznej instalacji, w której pracuje pompa grzejna, tzw. SPF (Seasonal Performance Factor), ze sprawnością krajowego systemu elektroenergetycznego, z którego jest zasilana pompa grzejna. dr inż. Piotr Kubski kontakt: pikuba@op.pl 6 3/2015

2 Temat efektywności energetycznej pomp grzejnych poruszano m. in. w publikacjach [3 5], w których przedyskutowano występujące ograniczenia dla przypadku sprężarkowych pomp grzejnych. Natomiast w pracy [6] podjęto się oceny efektywności energetycznej stosowania sprężarkowych pomp grzejnych zasilanych energią elektryczną z krajowego systemu elektroenergetycznego oraz alternatywnie ze spalinowego bloku ciepłowniczo-elektrycznego, a także przeprowadzono, pod kątem efektywności, wzajemne porównanie tych dwu sposobów zasilania w taką samą energię napędową. Wspomniane pompy grzejne zastosowano do zagospodarowania do celów grzewczych niskotemperaturowej energii odpadowej lub ze źródeł odnawialnych. Jako kryterium efektywności energetycznej wykorzystano skumulowane (czyli obejmujące również nakład energii na wydobycie i transport paliw zużycie energii chemicznej paliwa przypadającego na wytworzenie jednostki ciepła w układzie utworzonym przez elektrociepłownię parową lub gazową wraz z pompą grzejną. Przeprowadzona analiza energetyczna wykazała stosowne uwarunkowania, a także wyższość napędu spalinowego nad zasilaniem sprężarkowych pomp grzejnych z systemu elektroenergetycznego. Niniejsza publikacja, kontynuując zagadnienie efektywności energetycznej stosowania pomp grzejnych, ma na celu określenie swoistego, względnego efektu ich stosowania. Efekt ten określono poprzez odniesienie pobranej energii z zasobów odnawialnych do nakładu energii pierwotnej niezbędnej do ich napędu, a także odniesienie jej do energii użytkowej, przy czym w tym przypadku uwzględniono sprawność systemu ogrzewczego zasilanego sprężarkową pompą grzejną. Wskaźniki takie wyznaczono dla instalacji z pompami grzewczymi okreslonymi w załączniku nr 1. do dokumentu [7], stanowiącego metodykę wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku. Podane wartości w ciekawy sposób charakteryzują pracę instalacji ogrzewczych opartych na takim źródle ciepła. Źródła ciepła i energii elektrycznej Warunek zagospodarowywania zasobów energii odnawialnych Znanym powszechnie chwytem marketingowo reklamowym dostawców i instalatorów pomp grzejnych, obok deklarowanej wysokiej efektywności energetycznej ich produktu, jest argument, iż wszak zagospodarowują zasoby energii odnawialnej. Co się tyczy efektywności energetycznej pompy ciepła, to warto sobie uzmysłowić, co wyraża współczynnik tej efektywności. W klasycznych podręcznikach termodynamiki była określana symbolem ɛ, zaś dzisiaj częściej w czasopismach technicznych pojawia się skrót COP (Coefficient of Perfomance). Współczynnik ten definiujemy jako stosunek efektu, czyli uzyskanego ciepła grzejnego Q g do poniesionego nakładu, czyli pracy W, wykonanej przez pompę ciepła, zwykle przyjmowaną jako jej energia napędowa E n. W przypadku sprężarkowych pomp ciepła energią napędową jest oczywiście energia elektryczna z krajowego systemu elektroenergetycznego, zasilająca sprężarkę. Współczynnik efektywności energetycznej pompy ciepła można więc zapisać wzorem ɛ = COP = Q g / E n Ponieważ wyraża on stosunek dwu wielkości energetycznych, przeto jest on bezwymiarowy. Ale niezupełnie, bo te wielkości choć jednorodne pod względem wymiarowym, dotyczą nieco różnych postaci energii. Mianowicie w liczniku mamy energię końcową (finalną), zaś w mianowniku energię elektryczną. Przeto wymiarem wielkości ɛ jest np. kj energii końcowej na kj energii napędowej lub kj energii końcowej na kj energii elektrycznej. Przy tym współczynnik efektywności energetycznej jest zawsze większy od jedności, stąd też określa się go przy użyciu słowa współczynnik, a nie np. sprawność, która zwyczajowo przyjmuje wartości mniejsze od jedności. Z bilansu energetycznego pompy grzejnej wynika, że ciepło grzejne Q g jest sumą ciepła pobranego w dolnym źródle ciepła Q d oraz energii napędowej E n, co zapisujemy jako Q g = Q d + E n Ciepło doprowadzone w dolnym źródle ciepła Q d może być pobrane np. właśnie z zasobów energii odnawialnej. Łatwo więc wykazać, że ciepło pobrane Q d wyraża się poprzez ciepło grzejne Q g oraz efektywność ɛ jako Q d = Q g (1 1/ɛ) W dyrektywie o promocji energii odnawialnej [1] jest podobnie wyglądający zapis E RES = Q usable (1 1 / SPF), gdzie oznaczono: E RES energię pobraną z odnawialnych zasobów, Q usable energię użyteczną dostarczoną przez pompę grzejną, SPF (Seasonal Performance Factor) szacunkowy przeciętny współczynnik efektywności energetycznej instalacji, w której pracuje pompa grzejna. Różnica między klasycznym podejściem a wskazanym w dyrektywie polega na zastąpieniu współczynnika efektywności ɛ = COP poprzez współczynnik SPF, zwykle o niższej wartości. Warto więc podkreślić, że współczynnik SPF różni się, nieraz znacznie, od wartości współczynnika efektywności energetycznej ustalanego w warunkach laboratoryjnych przez producenta pompy. Producent, lub w jego imieniu akredytowane laboratorium, ustala charakterystykę energetyczną samej pompy grzejnej w określonych warunkach technicznych, wyznaczonych głównie stałą mocą napędową i przy stałych wartościach temperatury dolnego i górnego źródła ciepła. Wynik takiego badania podawany jest w postaci wartości współczyn- 3/2015 7

3 Ź nika efektywności energetycznej COP pompy grzejnej przy określonych warunkach termicznych (katalogowych). Natomiast współczynnik SPF zależy od poboru energii przez całą instalację, uwzględnia bowiem poza energią napędu samej sprężarki jeszcze nakład energii niezbędny dla pracy urządzeń pomocniczych (np. pomp lub wentylatorów wymuszających obieg czynnika w dolnym źródle ciepła, regulator. I co jest istotne, obejmuje także sezonową zmienność wartości współczynnika COP, zależną od wartości temperatury obu płynów w źródłach ciepła, a szczególnie zmiennej temperatury jej dolnego źródła. A teraz mały komentarz, co do warunku określającego zagospodarowywanie zasobów energii odnawialnej. Z dyrektywy [1] wynika, że do pobranej energii odnawialnej należy zaliczyć energię pobraną przez pompę grzejną w jej dolnym źródle ciepła (nie zaś dostarczone ciepło grzejne), ale tylko w przypadku, gdy współczynnik efektywności energetycznej pompy ciepła przekracza ściśle określoną wartość liczbową. Dyrektywa [1] w załączniku VII podaje zależność SPF >1,15 1/η w której η oznacza średnią dla UE wartość sprawności energetycznej konwersji energii pierwotnej na energię elektryczną wyznaczonej jako stosunek pomiędzy całkowitą produkcją energii elektrycznej brutto i pierwotnym zużyciem energii dla produkcji elektryczności. Uściślenie (z marca 2013 r.) dokonane decyzją unijną [2] dyrektywy [1] podaje wartość sprawności równą 0,455. Rys. 1. Szkic do układu pracy pompy grzejnej (pompy ciepł Oznaczenia: PG pompa grzejna SO system ogrzewczy, KSE krajowy system energetyczny, E o, E n, E k, E u odpowiednio energie: odnawialna, napędowa, końcowa i użytkowa, ɛ współczynnik efektywności energetycznej pompy grzejnej, η g sprawność systemu ogrzewczego, η E sprawność energetyczna KSE, w wskaźnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie systemowej energii elektrycznej. W warunkach krajowych sprawność procesu konwersji energii chemicznej na energię elektryczną określono np. w (najnowszym, z czerwca 2014 r.) rozporządzeniu o metodyce wyznaczania charakterystyki energetycznej budynków [7], współczynnikiem nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na systemowe wytwarzanie energii elektrycznej, wynoszącym 3,0. Przeto jego odwrotność jednoznacznie określa sprawność konwersji energii chemicznej na energię elektryczną. Stanowi to, że wartość graniczna współczynnika SPF musi być zatem wyższa od wartości 3,45. Wartość ta musi być odpowiednio wysoka, bowiem krajowy system elektroenergetyczny oparty jest na pracy elektrowni cieplnych. A zatem by uzyskać efekt cieplny z pracy pompy grzejnej muszą wystąpić dwa główne typy konwersji. Najpierw z energii pierwotnej, bo z paliw kopalnych (w elektrowniach) uzyskujemy energię elektryczną, zaś następnie (w pompie grzejnej) energię elektryczną zamieniamy na ciepło. Efektywność energetyczna pomp grzejnych Wywołanym na wstępie celem publikacji jest podanie specyficznych wskaźników charakteryzujących efektywność energetyczną pracy pompy grzejnej w postaci: niezbędnego nakładu energii odnawialnej na uzyskanie jednostkowego zasobu energii użytkowej, niezbędnego nakładu (nieodnawialnej) energii pierwotnej na zagospodarowanie jednostkowego zasobu energii odnawialnej, uzyskanego efektu w postaci energii użytkowej przypadającego na jednostkę energii pierwotnej. W dalszej kolejności wywołane tu wskaźniki zostaną zilustrowane wartościami liczbowymi dla różnych instalacji z pompami grzejnymi, wartościami zaczerpniętymi z załącznika nr 1 rozporządzenia [7] o metodyce określania charakterystyki energetycznej budynku. Określmy zatem bliżej te wielkości. W tym celu zostaną zdefiniowane następujące wielkości pomocnicze: sprawność systemu ogrzewczego η g, jako iloraz energii użytkowej E u i energii końcowej E k, (1) nb. słowo system ogrzewczy jest zaczerpnięte właśnie z rozporządzenia [7], sprawność systemu elektroenergetycznego η E, jako iloraz energii napędowej E n dla sprężarki i energii pierwotnej E p, przy czym 8 3/2015

4 Tabela 1.: Zestawienie parametrów charakteryzujących pracę wybranych typów sprężarkowych pomp grzejnych w systemie ogrzewczym dla średnich sezonowych wartości sprawności L.p. Typ sprężarkowej pompy ciepła z napędem elektrycznym w = 3 Sezonowa sprawność wytwarzania ciepła [kj E u /kj E n ] Sprawność systemu ogrzewczego w [kj E u / kj E k ] przy sprawności cząstkowej Nakład energii pierwotnej E p przypadający na zagospodarowanie jednostki energii odnawialnej E o w [kj E p /kj E o ] Zasób pobranej energii odnawialnej E o przypadający na jednostkę zużytej energii pierwotnej E p w [kj E o / kj E p ] Zasób energii użytkowej E u przypadający na pobraną jednostkę energii odnawialnej E o w [kj E u / kj E o ] przy sprawności cząstkowej Zasób energii użytkowej E u uzyskiwany z jednostki energii pierwotnej E p w [kj E u / kj E p ] przy sprawności cząstkowej 0,7 0,8 0,7 0,8 0,7 0, woda/woda glikol/woda grunt/woda pow./woda 3,60 4,00 3,50 4,00 3,50 4,00 2,60 3,00 2,52 2,45 2,45 1,82 2,10 2,88 3,20 3,20 3,20 2,08 2,40 1,15 1,20 1,20 1,88 1,50 0,870 0,833 0,833 0,532 0,667 0,969 0,980 0,980 1,14 1,05 1,11 1,12 1,12 1,30 1,20 0,840 0,817 0,817 0,607 0,700 0,960 0,693 0, pow./pow. 3,00 2,10 2,40 1,50 0,667 1,05 1,20 0,700 0,800 Źródła ciepła i energii elektrycznej Oznaczenia: pow. powietrze, grunt bezpośrednie odparowanie w gruncie,, praca ogrzewcza pompy grzejnej odpowiednio w zakresie temperatury 55/45 o C lub 35/28 o C, sprawność cząstkowa iloczyn średnich sezonowych sprawności (bez sprawności wytwarzania ciepła w źródle), (wg tab. 2. zał. nr 1. rozporządzenia [7]): regulacji i wykorzystania ciepła w przestrzeni ogrzewanej, przesyłu ciepła ze źródła ciepła do przestrzeni ogrzewanej, akumulacji ciepła w elementach pojemnościowych systemu ogrzewczego; dla ogrzewania wodnego z zakresu zmienności 0,55 0,84, przyjęto dwie wartości sprawności cząstkowych: 0,7 i 0,8. w oznacza współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii lub energii dla systemów technicznych: (2) współczynnik efektywności energetycznej pompy grzejnej ɛ, zapisany jako iloraz energii końcowej E k i energii napędowej E n, przy czym E o, jest nakładem energii odnawialnej, (3) z którego wynika związek. (4) Po podstawieniu związku (1) do zależności (3) otrzymujemy lub po dalszych przekształceniach, by po uporządkowaniu otrzymać wreszcie poszukiwane wyrażenie. (5) Drugie poszukiwane wyrażenie, czyli stosunek E p /E o w oparciu o powyższe związki można rozpisać jako 3/2015 9

5 Ź lub po uporządkowaniu (6). By uzyskać trzecią poszukiwaną zależność dzielimy związek (5) przez (6) otrzymując wskaźnik nakładu energii użytkowej na jednostkę energii pierwotnej (7). Uzyskane związki (5), (6) i (7) określają poszukiwane wskaźniki charakteryzujące efektywność energetyczną pompy grzejnej pracującej w dowolnej instalacji ogrzewczej. By nadać im wartości liczbowe, skorzystamy z danych zawartych w załączniku nr 1. do rozporządzenia [7]. W tabeli 1. zestawiono wyniki liczbowe wskazanych parametrów efektywności energetycznej sprężarkowych pomp grzejnych (zasilanych energią elektryczną z krajowego systemu elektroenergetycznego), opartych na wybranych typowych dolnych źródłach ciepła, przy określonych zakresach zmienności temperatury nośnika ciepła oraz przy wybranych sprawnościach systemu grzewczego. Dla zilustrowania przytoczonych wskaźników efektywności energetycznej sprężarkowych pomp grzejnych wybrano wartości cząstkowe charakteryzujące systemy ogrzewcze, zawarte w załączniku nr 1. do rozporządzenia [7] o metodyce wyznaczania charakterystyki energetycznej budynków. A są to wartości średnie występujące podczas całosezonowej eksploatacji systemów ogrzewczych. Przeanalizujmy zatem dane wynikowe z tabeli 1.: zwraca uwagę (kolumna 5.) mało korzystna, względnie wysoka wartość nakładu energii pierwotnej przypadającego na zagospodarowanie jednostki energii odnawialnej, mieszcząca się w przedziale wartości 1,0 1,9; zwraca uwagę (kolumna 6.) niższa lub co najwyżej równa jedności wartość zasobu pobranej energii odnawialnej przypadającego na jednostkę zużytej energii pierwotnej; zwraca uwagę (kolumna 7.) praktycznie porównywalny, bo przyjmujący wartości z zakresu 0,93 1,30, zasób energii użytkowej uzyskiwany z jednostki energii odnawialnej; zwraca uwagę praktycznie niższa od jedności, bo z zakresu 0,7 1,1, wartość zasobu energii użytkowej uzyskiwanej z jednostki energii pierwotnej. Oczywiście wyższe wartości wskaźników występują przy wyższej efektywności energetycznej pompy grzejnej oraz wyższych wartościach sprawności systemu ogrzewczego. Wskazane w tabeli 1. wartości niezbyt dobrze korespondują z potocznymi, opisowymi określeniami efektywności pomp grzejnych podawanymi przez niektórych sprzedawców i instalatorów. Podsumowanie Przypomniano podstawowy warunek energetyczny, przy spełnieniu którego można uznać, że sprężarkowa pompa grzejna korzysta z zasobów energii odnawialnej otoczenia. Zgodnie ze stosowną dyrektywą unijną o promowaniu energii z zasobów odnawialnych, jest nim odpowiednia wartość graniczna współczynnika sezonowej efektywności SPF takiej pompy, którą powiązano ze sprawnością krajowego systemu elektroenergetycznego. Ponieważ krajowy system oparty jest na konwencjonalnych elektrowniach cieplnych, obowiązuje względnie wysoka wartość graniczna tego współczynnika wynosząca 3,45. Względnie wysoka, jak na wartości charakteryzujące pracę pompy grzejnej w typowych warunkach eksploatacyjnych. Kontynuując dotychczasowe prace nad efektywnością systemów ogrzewczych opartych na pompie grzejnej podjęto analizę energetyczną przypadku zagospodarowywania odnawialnych zasobów energii zakumulowanych w otoczeniu, dla kilku typowych warunków pracy, uwzględniając różne spotykane dolne źródła ciepła, różne zakresy zmienności nośnika ciepła a także różne wartości sprawności systemu grzewczego. W analizie wyznaczono podstawowe parametry charakteryzujące pracę pompy grzejnej: nakład energii pierwotnej niezbędny do zagospodarowania jednostki energii odnawialnej, zasób energii użytkowej uzyskiwanej z jednostki energii odnawialnej oraz zasób energii użytkowej uzyskiwanej z jednostki energii pierwotnej. Wybrane parametry zilustrowano w oparciu o dane liczbowe zawarte w załączniku nr 1. do rozporządzenia [7] o metodyce wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku. Nie uzyskano oszałamiających wyników, szczególnie w przypadku nakładu energii pierwotnej niezbędnej do pobrania jednostki energii odnawialnej. Dlatego też, na tle uzyskanych wartości charakteryzujących efektywność energetyczną pompy grzejnej, wydaje się celowe rozpatrzenie innych, tzn. konwencjonalnych źródeł ciepła zaopatrujących określonych odbiorców. Zastosowanie napędu spalinowego do pompy grzejnej znakomicie poprawi efektywność energetyczną ich działania [6,8]. BIBLIOGRAFIA [1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE (tekst mający znaczenie dla EOG); Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 140/16 PL z dnia 05 czerwca 2009 r., s ; 10 3/2015

6 [2] Decyzja Komisji Europejskiej z dnia 1 marca 2013 r. ustanawiająca wytyczne dla państw członkowskich, dotycząca obliczania energii odnawialnej z pomp ciepła w odniesieniu do różnych technologii, na podstawie art. 5 dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE (notyfikowana jako dokument nr C (2013) 1082) (Dz. U. UE L 62, tom 56, s. 27, z dn. 6 marca 2013 r.) [3] Kubski P.: Dyrektywa o wspieraniu odnawialnych źródeł energii; COW nr 9 (474), rok XL 2009, s [4] Kubski P.: Pompy grzejne w dyrektywie o promocji odnawialnych źródeł energii; Instal nr 2/2011, s.16 [5] Kubski P.: Energetyczne uwarunkowania określania zasobów energii odnawialnej pobieranej przez pompy ciepła; Rynek Instalacyjny, 2013, nr 10, s ; [6] Kubski P.: Energetyczna ocena celowości stosowania sprężarkowych pomp grzejnych do zagospodarowania niekonwencjonalnych źródeł energii; COW, 2001 (r. 32), nr 4, s ; [7] Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 3 czerwca 2014 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej; (Dz. U. 2014, poz. 888); [8] Kotowski W., Konopko E.: Pompy ciepła. Efektywniej. Energia Gigawat, 10-11/2014 Źródła ciepła i energii elektrycznej 3/