Paweł Lachman Pompy PORT PC w układach hybrydowych Jedną z najszybciej rozwijających się technologii grzewczych są obecnie pompy typu powietrze/woda i powietrze/powietrze. Związane jest to z wprowadzeniem obowiązku stosowania od 21 r. klas energetycznych urządzeń grzewczych (najwyższe klasy: + i ++ ). Nie bez znaczenia jest też duży udział energii ze źródeł odnawialnych przekazywany przez pompę (min. 6% dla sezonowego współczynnika SPF równego 2,). Europie zaczyna się coraz częściej W stosować hybrydowe rozwiązania systemowe (umieszczone w jednej obudowie lub obok siebie) kocioł gazowy (kondensacyjny) z wbudowaną pompą typu powietrze/ woda. Dobrym uzupełnieniem takiej instalacji są też panele fotowoltaiczne montowane na dachach nowych budynków. Rozwiązania te umożliwiają realizację kilku funkcji: centralnego ogrzewania, podgrzewania centralnej wody użytkowej i chłodzenia. Nie są to jeszcze rozwiązania powszechne, powodem są stosunkowo wysokie koszty produkcji przy małej jej skali. Opisywane rozwiązania mają duże szanse rozwoju w Europie, jednak warto zadać pytanie, czy zdążą przed szybko rozwijającą się technologią pomp korzystających z powietrza jako dolnego źródła. Jakie korzyści mogą przynieść opisywane rozwiązania? Wymóg udziału odnawialnych źródeł energii w nowych budynkach w UE wynikający z dyrektywy OZE Dyrektywa w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych 28/WE/29 [1] narzuca wszystkim krajom członkowskim UE obowiązek stosowania OZE w nowych budynkach. Z dyrektywy wynika konieczność wprowadzenia zapisu dotyczącego konkretnych wartości minimalnego udziału OZE (wyrażonego w procentach). Niestety, zapis o minimalnym udziale energii odnawialnej, mimo że pierwotnie widniał w projekcie ustawy o OZE przygotowanym przez Ministerstwo Gospodarki, zniknął z aktualnego projektu. W wielu krajach Europy wprowadzono już wymóg minimalnego udziału OZE w nowych budynkach, np. na Słowacji i Litwie wynosi on %, w Danii 16%, we Włoszech % (w przypadku ciepłej wody użytkowej), a od 216 r. będzie to już % całości energii zużywanej w nowych budynkach. W wielu krajach planowane jest wprowadzenie tego wymogu, np. w elgii i Holandii. Warto pamiętać, że większy udział OZE w nowych budynkach jest też możliwy dzięki zwiększeniu wymagań dotyczących zużycia energii pierwotnej tak się dzieje m.in. w Niemczech czy we Francji. Niskie wartości progowe dla zużytej energii pierwotnej, np. kwh/m 2, wymuszą zastosowanie pompy, kotła na biomasę czy kolektorów słonecznych. Ponieważ ciepło potrzebne do centralnego ogrzewania i podgrzewania wody użytkowej stanowi ponad 7% całości energii zużywanej w nowych budynkach, najprościej spełnić wymóg minimalnego udziału poprzez zastosowanie odpowiedniego urządzenia grzewczego korzystającego z OZE. W przypadku dużego udziału OZE (np. %) w praktyce pozostaje tylko wykorzystanie pomp i kotłów na biomasę. Również zastosowanie rozwiązania hybrydowego kocioł gazowy z pompą pozwoli osiągnąć 3 6% udziału z OZE dla celów c.o. i c.w.u. O tym udziale decyduje wybrany sposób pracy urządzeń i zastosowana temperatura biwalentna. Żeby dokładniej pokazać ilość z OZE przekazywaną przez rozwiązania hybrydowe, warto wykorzystać wykres uporządkowany temperatur zewnętrznych. Na rys. 2 pokazano wykres dla Warszawy (III strefa klimatyczna z temperaturą projektową zewnętrzną C). jednostka zewnętrzna pompy Z wykresu można odczytać statystyczną liczbę dni z temperaturą niższą lub równą temperaturze określonej: 6 dób w roku z temperaturą niższą lub równą C (pkt ), 1 dób w roku z temperaturą niższą lub równą C (pkt ), 7 dób w roku z temperaturą niższą lub równą C (pkt C), sezon grzewczy to 22 dni (dla nowych budynków z temperaturą graniczną grzania 12 C). W budynkach istniejących z temperaturą graniczną grzania 1 C wyniósłby on 26 dni. Pole powierzchni znajdujące się pod wykresem krzywej uporządkowanych temperatur zewnętrznych pokazuje zapotrzebowanie na ciepło na cele c.o. Ze względu na zyski cieplne budynku (słoneczne i wewnętrzne) z dołu ogranicza ją wartość 1 C, w nowych energooszczędnych budynkach może być to 1 12 C. Jeżeli pompa pracowałaby w trybie pracy biwalentno-alternatywnym, to dla temperatury biwalentnej (punkt wyłączenia pompy załączenia drugiego źródła ) wynoszącej C można by uzyskać udział pompy w produkcji na cele c.o. ok. %. Współczynnik SPF (sezonowy współczynnik efektywności) wynosi 3, 4,. Energia ze źródeł jednostka wewnętrzna pompy kocioł dwufunkcyjny moduł do dwóch obiegów grzewczych Rys. 1. Przykład rozwiązania hybrydowego dla typowego domu jednorodzinnego: kocioł kondensacyjny dwufunkcyjny z pompą powietrze/woda o mocy grzewczej 3, kw Rys. Vaillant 27
odnawialnych przekazywana przez pompę stanowić będzie ok. 3 3% całego na c.o. (rys. 4). Gdyby temperatura biwalentna wynosiła C, można by uzyskać udział pracy pompy (energii) na poziomie 8%, a udział OZE w wysokości nawet ok. 6% całego na c.o i c.w.u. (rys. ). W przypadku nowych energooszczędnych budynków o powierzchni ogrzewanej ok. 1 m 2 projektowe zapotrzebowanie na ciepło nie przekracza 7 kw (dla C). Wymagana moc pomp dla temperatury biwalentnej C wyniosłaby ok. 3, kw, a dla C ok. 4 kw. Tak niewielka moc ma istotne znaczenie, jeżeli chodzi o koszty produkcji pomp. Oznacza to, że wielkość wymiennika (parowacza) jednostki zewnętrznej jest stosunkowo niewielka. Zastosowanie sprężarek o zmiennej wydajności mocy pozwala nie stosować dużego bufora. Wymagane jest zastosowanie sprzęgła hydraulicznego lub małego bufora wody grzewczej (ok. 3 4 litrów pojemności). Modulowane sprężarki, nowe metody szybkiego rozmrażania parownika (np. poprzez wtrysk gorącego gazu), elektroniczne 1 1 zawory rozprężne czy bardziej efektywne wentylatory pozwalają osiągnąć oszczędności na poziomie 3 3% w stosunku do kosztów pracy kotła gazowego. Z wykresu na rys. 6 można wyznaczyć maksymalną temperaturę zasilania dla punktu biwalentnego lub C (dotyczy temperatur z rys. 4 i ). Dla temperatury projektowej zasilania 7 C (dla C) wynoszą one odpowiednio: C (dla temperatury zewnętrznej C; pkt ) oraz 62 C (dla C; pkt ). W przypadku temperatury projektowej zasilania C (dla C) wynoszą one: 4 C (dla temperatury zewnętrznej C; pkt C) oraz 4 C (dla C; pkt D), a dla temperatury projektowej zasilania 4 C (dla C): 32 C (dla temperatury zewnętrznej C; pkt E) oraz 34 C (dla C; pkt F). Przygotowanie ciepłej wody poza sezonem grzewczym tylko z pompy Dzięki wysokim temperaturom powietrza zewnętrznego występującym poza sezonem grzewczym uzyskać można bardzo dużą efektywność podgrzewu ciepłej wody użytkowej. 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 C Rys. 2. Uporządkowany wykres temperatur zewnętrznych dla Warszawy 1 1 zapotrzebowanie dla budynku na cele c.o. 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Rys. 3. Uporządkowany wykres temperatur zewnętrznych dla Warszawy z polem zapotrzebowania na ciepło na potrzeby c.o. dla budynku Większość pomp typu powietrze/woda charakteryzuje się bardzo wysokim współczynnikiem COP (większym niż 4, dla temperatury zewnętrznej przekraczającej 1 C przez ok. 16 dni w roku dla Warszawy rys. 2). W okresie letnim zastosowanie pompy powietrze/ woda jest jednym z najtańszych sposobów przygotowania ciepłej wody. Koszt podgrzewania dla rodziny czteroosobowej (2 litrów ciepłej wody na dobę) nie przekracza zł miesięcznie. W przypadku nowych budynków jednorodzinnych może to umożliwić obniżenie kosztów zużycia gazu. Przy zużyciu gazu poniżej 12 m 3 /rok możliwe jest przejście z droższej taryfy W3 na W2 może to przynieść roczne oszczędności rzędu zł. Minimalna efektywność (SPF) pompy i niskie koszty eksploatacji systemów hybrydowych, lepsze wykorzystanie taryf elektrycznych Koszty zasilania centralnego ogrzewania przez pompę są niższe od kosztów zasilania przez kocioł gazowy aż do temperatur powietrza zewnętrznego od C do C (w zależności od parametrów dobranej pompy ). Zakładając, że koszt energii elektrycznej (taryfa dzienna) to 6 gr/kwh, średnioroczna sprawność kotła gazowego wynosi 9% (w stosunku do spalania), a koszt 1 m 3 gazu to 2,2 zł (ok. 11 kwh spalania na 1 m 3 ), opłacalna wartość SPF dla taryfy dziennej pompy wynosi: 6 = = 27, 11 9 Dla taryfy nocnej (np. 4 gr/kwh) minimalna efektywność pompy wynosiłaby: 4 = = 18, 11 9 Zakładając, że w okresie letnim sprawność systemu podgrzewania wody za pomocą kondensacyjnego kotła gazowego spada tylko do ok. 7%, dla taryfy dziennej wartość SPF wynosiłaby: 6 = = 21, 11 7 Natomiast dla taryfy nocnej: 4 = = 14, 11 7 28
Dzięki zastosowaniu odpowiedniego managera energii zarządzającego pracą pompy można uzyskać możliwie najniższe koszty eksploatacyjne, optymalnie wykorzystując taryfy energetyczne. Pompa pracuje, gdy jej efektywność (SPF) jest wystarczająco wysoka. Gdy efektywność ta spada poniżej granicy opłacalności, układ przełącza się na kocioł gazowy. Jak wynika z powyższych obliczeń, najbardziej opłacalne jest załączanie pompy w okresie letnim (poza sezonem grzewczym) oraz przy taryfach nocnych. Możliwość lepszego wykorzystania systemów fotowoltaicznych Podgrzewanie ciepłej wody użytkowej i chłodzenie budynków przy współpracy z odpowiednio dobraną instalacją fotowoltaiczną może zapewnić 1-proc. udział energii z OZE. Szczególnie korzystne jest wykorzystanie systemów fotowoltaicznych do chłodzenia budynków w lecie. Gdy promieniowanie słoneczne jest największe i uzysk energetyczny z paneli fotowoltaicznych najwyższy, występują również największe potrzeby chłodzenia pomieszczeń. W tym czasie może być również podgrzewana woda w zasobniku. Co ciekawe, może być to realizowane jednocześnie (chłodzenie + c.w.u.). Zastosowanie fotoogniw może służyć do zasilania pomp obiegowych centralnego ogrzewania i dolnego źródła, obniżając zużycie energii pierwotnej przez pompy i zwiększając udział energii odnawialnej przekazywanej przez pompę do instalacji grzewczej. kumulatory stosowane w systemach fotowoltaicznych mogą być wykorzystane do ładowania w pochmurne dni energią elektryczną z droższej taryfy dziennej. Energia elektryczna zgromadzona w akumulatorach może być wykorzystywana w okresach drogiej energii elektrycznej. Zastosowanie w nowych budyn- ilość OZE w całym cieple to ok. 3 3% 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 4% % 1 1 gazowy kocioł kondensacyjny pompa typu powietrze/woda Rys. 4. Uporządkowany wykres temperatur zewnętrznych dla Warszawy z polem zapotrzebowania na ciepło na potrzeby c.o. dla budynku. Do temperatury biwalentnej C pracuje tylko pompa, a poniżej C jedynie kocioł gazowy gazowy kocioł kondensacyjny ilość OZE w całym cieple to ok. 6% 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 8% 1 1 1% pompa typu powietrze/woda Rys.. Uporządkowany wykres temperatur zewnętrznych dla Warszawy z polem zapotrzebowania na ciepło na c.o. dla budynku. Do temperatury biwalentnej C pracuje tylko pompa, a poniżej C tylko kocioł gazowy. Pompa może przekazać 8% całego zapotrzebowania na c.o. i 9% potrzebnego na podgrzewanie wody użytkowej reklama 29
[MW] kach pompy i fotoogniw może zapewnić blisko 1-proc. udział energii zielonej przekazywanej przez pompy (takie instalacje realizuje się m.in. w Niemczech i ustrii). Wykorzystanie obu tych technologii pozwala uzyskać maksymalny efekt synergii. Pozytywny wpływ rozwiązań hybrydowych na sieć energetyczną Głównym problem są w polskich sieciach energetycznych chwilowe deficyty energii. Dotyczy to tzw. szczytów dobowych (szczególnie wieczornego, w godz. 16) oraz szczytów sezonowych: w zimie (ekstremalnie duże mrozy) i latem (w okresach bardzo wysokich temperatur). Dzięki zastosowaniu managerów energii pompami korzystającymi z technologii smart grid pompy te mogłyby być tak zdalnie załączane, by móc pracować głównie w porze najtańszej taryfy energii elektrycznej (poza szczytami). W okresach, w których ilość 9 8 7 6 4 3 2 22 21 2 19 18 17 16 1 14 13 energii elektrycznej w sieci jest deficytowa i zarazem najdroższa (odcinek i na rys. 7), pompa mogłaby być zdalnie wyłączana. Gdy występuje deficyt energii elektrycznej lub jest ona bardzo droga, inteligentna sieć może wstrzymać dostawę energii do pompy, korzystając z akumulacji w budynku o ciężkiej konstrukcji (również w ogrzewaniu płaszczyznowym) lub w buforze wody grzewczej. Odbywa się to bez uszczerbku dla komfortu cieplnego. W budynkach o ciężkiej konstrukcji spadek temperatury w ciągu 2 godz. jest wyraźnie mniejszy od, K, nawet dla temperatury zewnętrznej poniżej C. W przypadku niskiej temperatury może nastąpić przełączenie na tańsze lub dostępne źródło kocioł gazowy. Niewystępowanie niskiej emisji zanieczyszczeń Zastosowanie w Polsce pomp na szerszą skalę może przynieść korzyści związane ze znacznym obniżeniem emisji zanieczyszczeń 4, 3, 3, 2, 2, C E 1 1 C C :1 1:1 2:1 3:1 4:1 :1 6:1 7:1 8:1 9:1 1:1 11:1 12:1 13:1 14:1 1:1 16:1 17:1 18:1 19:1 2:1 21:1 22:1 23:1 Rys. 7. Przykładowy rozkład zapotrzebowania na moc Krajowej Sieci Energetycznej w ciągu dnia (1.3.21 r.) Rys. PSE D F 16 13 7/ C 12 11 1,9,8 /4 C,6,4,2 4/3 C Rys. 6. Wyznaczanie temperatury zasilania, dla której następuje przełączenie z pompy na drugie źródło kocioł gazowy w powietrzu atmosferycznym, w tym szczególnie pyłu zawieszonego PM 1 i PM 2, (ang. Particulate Matter pył o rozmiarach poniżej 1 μm lub poniżej 2, μm dla porównania średnica przekroju ludzkiego włosa wynosi ok. 7 μm ). Spośród wielu parametrów zanieczyszczeń powietrza badanych w stacjach badawczych, takich jak dwutlenek siarki, tlenki azotu, dwutlenek azotu, tlenek węgla, ozon czy benzen, szczególnie istotne wydają się być właśnie pyły zawieszone. W przeciwieństwie do pozostałych zanieczyszczeń pyły te wielokrotnie i przez znaczną część roku przekraczają dopuszczalne normy roczne oraz dobowe i to na znacznych obszarach Polski. Pyły zawieszone PM 2, i PM 1 są niewidoczne gołym okiem, ale mogą przenosić wszelkie zanieczyszczenia chemiczne i biologiczne (toksyny, kancerogeny, bakterie, wirusy). Negatywne skutki dla ludzi to złe samopoczucie, podrażnienie oczu, śluzówek. Duże stężenia pyłów zawieszonych mogą prowadzić do ostrych i przewlekłych stanów zapalnych układu oddechowego, alergii (a w konsekwencji do astmy), niedotlenienia, migren itp. Dostępne powszechnie analizy wskazują na wyraźne powiązanie między emisją pyłów PM 1 a temperaturą zewnętrzną. W miesiącach zimowych emisja PM 1 wzrasta gwałtownie można z bardzo dużym prawdopodobieństwem stwierdzić, że jest to związane z emisją spalin, głównie z węglowych kotłów grzewczych. Dodatkowo przy utrzymywaniu się przez wiele dni, a nawet tygodni pogody wyżowej i braku odpowiedniej cyrkulacji powietrza powstaje realne zagrożenie dla zdrowia, szczególnie mieszkańców Warszawy oraz południa Polski Małopolski i Górnego Śląska. Zastosowanie pomp na obszarach dużych aglomeracji miejskich może się przyczynić do wyraźnej redukcji emisji pyłu zawieszonego PM 1 i PM 2,. Urządzenia te nie wywołują żadnej lokalnej emisji zanieczyszczeń (tzw. niskiej emisji), gazowe kotły kondensacyjne to urządzenia niskoemisyjne. Należy mieć nadzieję, że w najbliższych latach opisana w zarysie technologia hybrydowa rozwinie się na taką skalę, iż będzie dostępna masowo także w Polsce. Zdaniem autora widoczny znaczący postęp technologiczny i wymagania europejskiej polityki klimatycznej zdają się potwierdzać możliwość szybkiego spełnienia się takiego scenariusza. Literatura 1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 29/28/ WE z dnia 23 kwietnia 29 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych (DzU UE L 9.14.16). 3