Czy pod względem ekonomicznym uzasadnione jest stosowanie w systemach grzewczych w Polsce sprężarkowej pompy ciepła w systemie monowalentnym czy biwalentnym? Andrzej Domian, Michał Zakrzewski Pompy ciepła, urządzenia umożliwiające transport energii cieplnej ze źródła o temperaturze niższej, niż obiekt docelowo odbierający owe ciepło, mają niezaprzeczalnie wiele zalet w stosunku do konwnecjonalnych systemów ogrzewania budynków. Możemy do nich zaliczyć: - Brak konieczności budowy komina - Niedrogie ogrzewanie na lata (niskie koszty eksploatacyjne) - stosunek kosztów eksploatacji (Coraz droższe paliwa kopalne/ coraz tańsze pompy ciepła) - Ciepło ekologiczne (mniejsze zużycie en. elektrycznej niż kocioł elektryczny; mniejsze zużycie węgla (Polska) niż kocioł węglowy); spaliny w elektrociepłowniach są odsiarczane i odpylane korzystna jest centralizacja spalania paliw pierwotnych
Jednakże poza zaletami, pompy ciepła charakteryzują się również szeregiem ograniczeń w ich stosowaniu, warunkujących opłacalność inwestycji: - Wymogi dotyczące izolacyjności budynku - Ograniczenie do niskotemperaturowego systemu ogrzewania w budynku (płaszczyznowe, konwektorowe) - Zmienny COP wraz ze zmienną temperaturą dolnego źródła - Odpowiednia wielkość działki - Trudność doboru mocy pompy i wielkości kolektora gruntowego (błędne założenia co do izolacyjności budynku, własności gruntu) - Koszty inwestycyjne (kolektor, pompa, instalacja) Koszty inwestycyjne związane z zainstalowaniem sprężarkowej pompy ciepła stanowią najistotniejszy argument przy podejmowaniu decyzji dotyczącej wyboru systemu ogrzewania i przygotowania c.w.u. Wartości tych kwot są średnio dwa, trzy razy większe niż dla systemów olejowych lub nawet czterokrotnie przekraczają koszt instalacji gazowej. Koszty eksploatacji
Jak widzimy w większości zestawień kosztów ogrzewania różnymi systemami, układy z pompą ciepła plasują się w czołówce pod względem opłacalności. Układy pracy pomp ciepła Układ monowalentny W tym rodzaju pracy sama pompa ciepła pokrywa w 100% całoroczne zapotrzebowanie na ciepło w budynku. Zwykle do monowaletnej pracy stosuje się pompy ciepła solanka/wodalub woda/woda.
Układ biwalentny Poza pompą ciepła w instalacji grzewczej budynku znajduje się dodatkowe, szczytowe źródło ciepła, zastępujące (układ rozdzielony)/ wspomagające (układ równoległy) pompę ciepła w momentach szczytowego zapotrzebowania na moc grzewczą.
Układ biwalentny monoenergetyczny Pompy ciepła powietrze/woda są przeważnie stosowane jako urządzenia monoenergetyczne. Pompa ciepła powinna pokrywać przy tym w zupełności zapotrzebowanie ciepła aż do temperatury powietrza zewnętrznego 5 C (punkt biwalentny). Przy jeszcze niższej temperaturze i dużym zapotrzebowaniu ciepła włącza się automatycznie dodatkowa grzałka elektryczna. Doświadczenie pokazało, że należy dążyć do takiej mocy pompy ciepła, która przecina charakterystykę grzania przy teoretycznej temperaturze granicznej (wzgl. Punkcie biwalentnym) ok. 5 C. Przy takim projektowaniu uzyska się zgodnie z normą DIN 4701 T10 dla biwalentnego-równoległego urządzenia udział drugiego generatora ciepła (np. grzałki) w wysokości 2%. W przypadku stosowania pompy ciepła gruntowej dobranej na: -75-85% szczytowego zapotrzebowania budynku na ciepło, -przy stosowaniu grzałki elektrycznej jako źródła szczytowego -koszty inwestycyjne znacząco spadają (mniejsza pompa ciepła, mniejsze dolne źródło ciepła), - przy nieznacznym wzroście kosztów eksploatacyjnych.
Porównanie systemu monoenertgetycznego z monowalentnym W dostępnych źródłach można znaleźć wiele opracowań analiz ekonomicznych systemów z pompą ciepła Są to jednakże porównania pompy ciepła z kotłem (olej, gaz), bądź kolektorami słonecznymi Producenci i dystrybutorzy promują pompy ciepła, jednakże często zależy im na jak największym zysku (ergo pompa dobrana na 100% zapotrzebowania). Nie jest to najkorzystniejsze rozwiązanie, poza tym oszczędność przynosi stosowanie urządzeń, o których mowa wraz z innymi, charakterystycznymi założeniami obejmującymi całość ekspolatowanego budynku, mianowicie: Pompy ciepła to urządzenia, które można stosować dla budynku energooszczędnego, którego: -zapotrzebowanie na moc cieplną wynosi około (55 W/m2), -utrzymywanie temperatury wewnątrz budynku wynosi około 20⁰ C, -temperatura zasilania na poziomie 35 ⁰ C. Zastosowanie w budynku instalacji niskotemperaturowej, którego temperatura zasilania będzie na poziomie 35 ⁰ C powoduję wzrost współczynnika wydajności chłodniczej, a z czym wiąże się mniejsza jednostkowa praca, dzięki czemu urządzenie chłodnicze ma większą wydajność. Pokazuję to rysunek 1.
Bardzo ważnym aspektem podczas projektowania instalacji z pompą ciepła jest kontakt montera z architektem danego budynku. Ważne jest, aby izolacja stropu na gruncie, lub nad pomieszczeniem nie ogrzewanym miała grubość 12 cm, a nie jak to spotykane jest w praktyce 4-6 cm. Pomiędzy pomieszczeniami ogrzewanymi grubość styropianu powinien wynosić około 4-5cm, a nie jak w praktyce 2 cm. Także bardzo ważnym aspektem jest odpowiednia izolacja stropodachu, odpowiednio zaprojektowana wentylacja. W budynku powinny być instalowane drzwi i okna o odpowiednim dużym współczynniku przenikania ciepła. Nie przestrzeganie tych zasad powoduje nieekonomiczną pracę pompy ciepła. Firma Buderus przeprowadziła analizę inwestycyjną-ekonomiczną zastosowania pompy ciepła. Do analizy wykorzystano budynek o powierzchni 195m2. Zapotrzebowanie na moc cieplną wynosiło 10,7KW. Liczba osób korzystających z ciepłej wody użytkowej- 4. Budynek położony w strefie klimatycznej dla Gdańska. Temperaturę obliczeniową w budynku przyjęto 20 ⁰ C. Temperaturę zasilania to 36 ⁰ C. Temperatura nośnika dolnego źródła +1 ⁰ C. Praktycznie w celu doboru pompy ciepła stosuję się dwie metody. Pierwsza z nich polega na pokryciu budynku w pełni jego wydajności cieplnej. Taka pompa nawet w najzimniejsze dni w roku utrzyma ciepło w budynku. Pojawia się zatem pytanie, cz warto stosować pompę ciepła na maksymalne obciążenie? Dni bardzo zimnych jest w roku około 10. Okazuję się, że lepiej jest projektować pompę cieplną na 80 % zapotrzebowania danego budynku na moc cieplną, a w najzimniejsze dni włączyć źródło szczytowe, takie jak np. grzałka elektryczna. Zastosowanie pompy ciepła dobranej na 70 % jest najbardziej korzystne pod względem inwestycyjny. Natomiast pompa ciepła dobrana na 100% jest najbardziej korzystna pod względem eksploatacyjnym. Analiza danych wykazuję, że najbardziej korzystnym wyborem pompy dla budynku 195m2 jest pompa 9KW, która w 80% zaopatruje budynek w moc cieplną i ma dodatkowe źródło szczytowe. Taka pompa pod względem inwestycji jest tańsza o ponad 5 000 zł od pompy 11KW, działającej na 100% i pod względem eksploatacyjnym tańsza o ponad 200 zł w ciągu roku w porównaniu z pompą 7KW. Zastosowanie również pompy 9 KW wymaga mniejszej powierzchni działki na kolektor poziomy i to aż 100 m2, co przy dzisiejszych cenach gruntu ma niebagatelny wpływ. Taki sposób wyboru pompy jest jak najbardziej korzystny.
Bibliografia 1. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna, Racje techniczno ekonomiczne wykorzystania pompy ciepła w systemach ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych, Piotr Jasiukiewicz. 2. Kurier Buderus, numer 25, kwiecień 2008. 3. TCHK 6-7/2001, 1/2002, 3/2002, 1/2005, 2/2005, 9/2005, 10/2005, 9/2007, 10/2007 4. http://pompyciepla.info 5. Podręcznik projektowania Ogrzewanie i chłodzenie pompą ciepła Wydanie 11/2006, Dimplex 6. http://www.palmer.com.pl/