Kiedy pompy ciepła korzystają z OZE?

Kiedy pompy ciepła korzystają z OZE? Autor: Paweł Lachman, prezes Zarządu, Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła Kraków ( Czysta Energia 12/2013) Dyrektywa 2009/28/WE o promowaniu energii ze źródeł odnawialnych (OZE) niedookreśliła ważnych kwestii dotyczących pomp ciepła. W dyrektywie OZE z 2009 r. brakowało m.in. szczegółowych informacji na temat metodyki obliczania sezonowego współczynnika efektywności SPF pomp ciepła w przypadku różnych technologii. Nie wskazano również metodyki statystyki energetycznej wykorzystania energii odnawialnej (z wody, gruntu i powietrza). Istotna była też zasada obliczania energii z OZE wtedy, gdy źródło energii stanowi mieszaninę ciepła odpadowego i ciepła z otoczenia. Niejednoznacznie przedstawiono także kwestię korzystania z OZE przez pompy ciepła, np. w przypadku powietrza wyrzutowego z budynków. Wątpliwości budziło też obliczanie energii z odwracalnych (rewersyjnych) pomp ciepła typu powietrze/woda czy powietrze/powietrze. Gorące dyskusje w prasie fachowej, po wprowadzeniu dyrektywy 2009/28/WE (OZE), wywołała ocena tego, jaka jest wartość minimalna współczynnika SPF dla sprężarkowych pomp ciepła zasilanych elektrycznie. Ważna minimalna efektywność Praktycznie wszystkie wątpliwości wyjaśnia decyzja Komisji Europejskiej z 1 marca 2013 r. nr 2013/114/UE (C(2013) 1083), ustanawiająca wytyczne dla państw członkowskich, dotyczące szacowania ilości energii odnawialnej pochodzącej z różnych technologii pomp ciepła, zgodnie z wymogami załącznika VII do dyrektywy 2009/28/WE. W załączniku tym państwa członkowskie zostały zobowiązane do dopilnowania, by w statystykach uwzględniano jedynie pompy ciepła o współczynniku SPF wynoszącym powyżej wartości 1,15 x 1/. Aby energia została uznana za odnawialną, zgodnie z dyrektywą OZE muszą być spełnione odpowiednie warunki. Minimalna wartość SPF dla sprężarkowych pomp ciepła zasilanych energią elektryczną (SCOP net ) winna wynosić co najmniej 2,5 (dla = 0,455). Natomiast dla gazowych pomp ciepła zasilanych energią cieplną (bezpośrednio lub poprzez

spalanie paliw) o sprawności produkcji energii ( ) równej 1 minimalna wartość SPF (SPER net ) musi wynosić co najmniej 1,15. Państwa członkowskie powinny, w szczególności w odniesieniu do powietrznych pomp ciepła, ocenić, jak duży udział w mocy już zainstalowanych pomp ciepła mają urządzenia o wartości SPF większej od sprawności minimalnej. Przy tej ocenie kraje mogą się opierać zarówno na danych badawczych, jak i pomiarach, chociaż brak danych może w wielu przypadkach ograniczyć ocenę do ekspertyzy przeprowadzonej przez każde państwo członkowskie. Takie ekspertyzy powinny być ostrożne, co oznacza, że należy raczej nie doszacować niż przeszacować wkład pomp ciepła. Szczególnej uwagi wymagają rewersyjne (odwracalne) powietrzne pompy ciepła, ponieważ istnieje wiele potencjalnych źródeł przeszacowania, gdyż nie wszystkie odwracalne pompy ciepła są używane do ogrzewania lub dzieje się tak tylko w ograniczonym zakresie, oraz starsze (i nowe, mniej efektywne) urządzenia, mające SPF poniżej wymaganej wartości progowej 2,5. Decyzja Komisji zwraca również uwagę na znaczny udział powietrznych pomp ciepła do podgrzewania wody, które nie spełniają wymogów min. wartości SPF. Tylko w wyjątkowych wypadkach takie pompy ciepła mają SPF powyżej minimalnej wartości progowej (poniżej 2,5). Obliczanie udziału i ilości energii z OZE Załącznik VII do Dyrektywy w sprawie promowania energii odnawialnej 2009/28/WE (dyrektywa OZE) pokazuje ogólną metodę obliczania ilości energii odnawialnej dostarczanej przez pompy ciepła. Załącznik VII przedstawia trzy parametry niezbędne do obliczania ilości energii odnawialnej pochodzącej z pomp ciepła na potrzeby wyliczania celów w zakresie energii odnawialnej: sprawność produkcji energii ( lub eta), szacunkowe użyteczne ciepło pochodzące z pomp ciepła (Q usable ), współczynnik efektywności (wydajności) sezonowej (SPF) E RES = Q usable x (1 1/SPF). Decyzja Komisji wprowadza dokładną, a zarazem pragmatyczną metodykę dla wymienionych parametrów.

Metodyka wyznaczania Dane wymagane do obliczania sprawności produkcji energii elektrycznej są objęte Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1099/2008 z 22 października 2008 r. w sprawie statystyki energii OZE z pomp ciepła. Sprawność produkcji energii elektrycznej ( ), wg najnowszych danych za 2010 r., wynosi 0,455 (czyli 45,5%). Komisja zdecydowała, że wartość = 0,455 jest stosowana na całym obszarze UE oraz że będzie tak do 2020 r. Wytyczne te określają więc, w jaki sposób państwa członkowskie powinny szacować dwa pozostałe parametry: całkowite użyteczne ciepło pochodzące z pomp cieplnych Q usable oraz SPF, biorąc pod uwagę różne warunki klimatyczne, w szczególności klimaty bardzo zimne. Za pomocą tych wytycznych państwa członkowskie mogą obliczyć ilość energii odnawialnej dostarczanej przez pompy ciepła. Definicje używane w decyzji Komisji Europejskiej: Q usable oznacza, wyrażone w GWh, szacunkowe całkowite użyteczne ciepło pochodzące z pomp ciepła, obliczane jako iloczyn znamionowej wydajności grzewczej (P rated ) i rocznej liczby równoważnych godzin pracy pomp ciepła (H HP ). H HP - Roczna liczba równoważnych godzin pracy pomp ciepła to, wyrażona w h, zakładana roczna liczba godzin, w czasie których pompa ciepła ma dostarczać ciepło przy wydajności znamionowej w celu zapewnienia całkowitego ciepła użytecznego dostarczanego przez pompy ciepła. P rated - Wydajność znamionowa oznacza wydajność chłodniczą lub grzewczą cyklu sprężania par lub cyklu sorpcyjnego urządzenia w warunkach znamionowych znormalizowanych. SPF oznacza szacunkowy przeciętny współczynnik efektywności (wydajności) sezonowej, czyli współczynnik efektywności sezonowej netto w trybie aktywnym (SCOP net ) dla pomp ciepła zasilanych energią elektryczną lub sezonowe zużycie energii pierwotnej w trybie aktywnym netto (SPER net ) dla pomp ciepła zasilanych energią cieplną. Metodyka szacowania wartości SPF i Q usable Opisana w decyzji Komisji metodyka opiera się na trzech głównych założeniach: prawidłowości pod względem technicznym, pragmatycznym podejściu, równoważącym dokładność z opłacalnością,

domyślnym współczynniku do określania wkładu energii odnawialnej pochodzącej z pomp ciepła (wartości ustalane są na ostrożnym poziomie, aby zmniejszyć ryzyko przeszacowania wkładu energii odnawialnej pochodzącej z pomp ciepła). Zgodnie z załącznikiem VII do dyrektywy, ilość energii odnawialnej dostarczanej przez technologie pomp ciepła (E RES ) oblicza się za pomocą następującego wzoru: E RES = Q usable x (1 1/SPF) przy czym; Q usable = H HP x P rated gdzie: Q usable - szacunkowe całkowite użyteczne ciepło pochodzące z pomp ciepła [GWh], H HP - równoważne godziny pracy z pełnym obciążeniem [h], P rated - wydajność zainstalowanych pomp ciepła, z uwzględnieniem całkowitego okresu eksploatacji różnych rodzajów pomp ciepła [GW], SPF = szacunkowy przeciętny współczynnik wydajności sezonowej (SCOP net lub SPER net ). Wartości domyślne dla H HP i ostrożne wartości domyślne dla SPF dla elektrycznych sprężarkowych pomp ciepła znajdują się w tabeli 1. Wartości domyślne podane w tabeli 1 są typowe dla segmentu pomp ciepła o SPF powyżej minimalnej wartości progowej, co oznacza, że pompy ciepła o SPF < 2,5 i SPER < 1,15 nie były brane pod uwagę przy ustalaniu wartości typowych. Wartości domyślne dla H HP i ostrożne wartości domyślne dla SPF dla pomp ciepła napędzanych cieplnie przedstawiono w tabeli 2. Decyzja KE zachęca państwa członkowskie do skorygowania ostrożnych wartości domyślnych poprzez dostosowanie ich do warunków krajowych/regionalnych, włącznie z opracowaniem dokładniejszej metodyki. Jest to związane z przeprowadzeniem programów badawczych, oceniających realną efektywność urządzeń. Wszelkie ewentualne poprawki należy zgłosić Komisji i podać do wiadomości publicznej.

Tab. 1. Wartości domyślne H HP i SPF (SCOP net ) dla pomp ciepła zasilanych energią elektryczną Rodzaj źródła odnawialnej energii dla pompy ciepła Dolne źródło/czynnik górnego źródła Klimat chłodny (obowiązujący w całej Polsce) H HP (h/rok) SPF (SCOP net ) Energia aerotermalna Powietrze/powietrze 1 970 2,5 Powietrze/woda 1 710 2,5 Powietrze/powietrze (rewersyjna) 1 970 2,5 Powietrze/woda (rewersyjna) 1 710 2,5 Powietrze wywiewane/powietrze 600 2,5 Powietrze wywiewane/woda 600 2,5 Energia geotermalna Grunt/powietrze 2 470 3,2 Grunt/woda 2 470 3,5 Energia hydrotermalna Woda/powietrze 2 470 3,2 Woda/woda 2 470 3,5 Tab. 2. Wartości domyślne H HP i SPF (SPER net ) dla pomp ciepła zasilanych energią cieplną Rodzaj źródła odnawialnej energii dla Dolne źródło/czynnik górnego Klimat chłodny pompy ciepła źródła obowiązujący w całej Polsce H HP (h/rok) SPF (SPER NET ) Energia aerotermalna Powietrze/powietrze 1 970 1,15 Powietrze/woda 1 710 1,15 Powietrze/powietrze (rewersyjna) 1 970 1,15 Powietrze/woda (rewersyjna) 1 710 1,15 Powietrze wywiewane/ powietrze 600 1,15 Powietrze wywiewane/woda 600 1,15 Energia geotermalna Grunt/powietrze 2 470 1,4 Grunt/woda 2 470 1,6 Energia hydrotermalna Woda/powietrze 2 470 1,4 Woda/woda 2 470 1,6

Przykładowe wyliczenie energii OZE Przy mocy grzewczej pompy ciepła na poziomie 10 kw statystyczna ilość energii z OZE wynosić będzie odpowiednio: sprężarkowa pompa ciepła typu powietrze/woda (powietrzna korzystająca z energii aerotermalnej): ilość OZE wynosi 10 x 1710 x (1-1/2,5) = 10 260 kwh OZE/rok, sprężarkowa pompa ciepła typu solanka/woda (gruntowa korzystająca z energii geotermalnej): ilość OZE wynosi 10 x 2440 x (1-1/3,5) = 17 643 kwh OZE/rok, gazowa (np. absorpcyjna) pompa ciepła typu solanka/woda (gruntowa korzystająca z energii geotermalnej): ilość OZE wynosi 10 x 2440 x (1-1/1,6) = 9263 kwh OZE/rok. Granice układu do celów pomiaru Granice układu do celów pomiaru energii z pomp ciepła obejmują cykl obiegu czynnika roboczego, pompę (lub wentylator), czynnika chłodniczego (np. wody, roztworu glikolu) oraz, w przypadku ad/absorpcji, dodatkowo cykl sorpcyjny i pompę rozpuszczalnika. SPF należy wyznaczyć jako współczynnik efektywności sezonowej (SCOP net ) zgodnie z normą EN 14825:2012 lub jako wskaźnik sezonowego zużycia energii pierwotnej (SPER net ) zgodnie z normą EN 12309. Oznacza to, że należy uwzględnić energię elektryczną lub paliwo zużyte na potrzeby działania pompy ciepła i obiegu czynnika chłodniczego (np. roztworu glikolu). Odpowiednie granice układu, przedstawione na rysunku 1 jako SPFH 2, zaznaczono na czerwono. Rys. 1. Granice systemu do celów pomiaru SPF i Q usable Źródło: SEPEMO, ISE Fraunhofer.

E S_fan/pump energia wykorzystywana do napędzania wentylatora lub pompy, które powodują obieg czynnika chłodniczego (np. wody, roztworu glikolu), E HW_hp energia wykorzystywana do napędzania pompy ciepła (np. sprężarki), E bt_pump energia wykorzystywana do napędzania pompy powodującej obieg czynnika, który absorbuje energię otoczenia (dotyczy tylko niektórych pomp ciepła), E HW_bu energia wykorzystywana do napędzania dodatkowego ogrzewacza (dotyczy tylko niektórych pomp ciepła), E B_fan/pump energia wykorzystywana do napędzania wentylatora lub pompy, powodujące obieg czynnika, który dostarcza końcowe ciepło użyteczne, Q H_hp ciepło dostarczane ze źródła ciepła poprzez pompę ciepła, Q W_hp ciepło dostarczane z energii mechanicznej wykorzystywanej do zasilania pompy ciepła, Q HW_hp ciepło dostarczane z dodatkowego ogrzewacza (dotyczy tylko niektórych pomp ciepła), E RES odnawialna energia aerotermalna, geotermalna lub hydrotermalna (źródło ciepła) przejęta przez pompę ciepła. Obliczanie energii OZE dostarczonej przez pompę ciepła: E RES E RES = Q usable E S_fan/pump E HW_hp = Q usable x (1 1/SPF) Q usable Q usable = Q H_hp +Q W_hp Z określonych na rysunku 1 granic systemu wynika, że obliczenie energii odnawialnej dostarczanej przez pompy ciepła zależy od samej pompy ciepła, a nie od układu grzewczego, którego część stanowi pompa ciepła. Nieefektywne wykorzystywanie energii z pomp ciepła jest tym samym kwestią efektywności energetycznej i nie powinno mieć wpływu na obliczanie energii odnawialnej dostarczanej przez pompy ciepła. Warunki klimatyczne Definicja warunków klimatu umiarkowanego, chłodnego i ciepłego jest zgodna z metodą rozporządzenia delegowanego Komisji w sprawie etykietowania energetycznego urządzeń grzewczych, gdzie warunki klimatu umiarkowanego, warunki klimatu chłodnego i warunki klimatu ciepłego oznaczają warunki temperaturowe właściwe, odpowiednio dla następujących europejskich miast: Strasburga, Helsinek i Aten. Sugerowane obszary warunków klimatycznych przedstawiono na rysunku 2.

Rodzaje pomp ciepła Pompy ciepła wykorzystujące powietrze wywiewne jako źródło energii czerpią z energii otoczenia, dlatego dostarczają energię odnawialną. Jednak jednocześnie odzyskują one energię z powietrza wywiewanego, która, zgodnie z dyrektywą OZE, nie jest traktowana jako energia aerotermalna. Dlatego tylko pobrana energia aerotermalna jest zaliczana do energii odnawialnej. Podkreślono to poprzez korektę wartości H HP dla typów pomp ciepła przedstawionych w tabelach 1 i 2. Wartości H HP uwzględniają nie tylko czas używania pompy ciepła, ale także okres użytkowania dodatkowej grzałki elektrycznej w przypadku pomp z grzałkami elektrycznymi. Ponieważ grzałka znajduje się poza granicami układu, dla wszystkich powietrznych pomp ciepła wartości są odpowiednio korygowane, aby uwzględniać jedynie ciepło użytkowe dostarczane przez pompę ciepła. Skorygowane wartości H HP zostały podane w tabelach 1 i 2. Rys. 2. Mapa Europy z różnymi klimatami. Obszar Polski w całości zaliczono do klimatu chłodnego

W przypadku powietrznych pomp ciepła, których moc podawana jest dla warunków projektowych (np. -7 C, a nie dla warunków standardowych wg PN-EN 14511, np. dla A2W35), należy korzystać z wartości H HE równej 3465 h dla klimatu zimnego (występującego w Polsce). Tylko powietrze atmosferyczne, tj. zewnętrzne, może być źródłem energii OZE dla powietrznych pomp ciepła. W przypadku hybrydowych systemów pomp ciepła, w których pompa ciepła działa we współpracy z innymi technologiami OZE (takimi jak termiczne kolektory słoneczne wykorzystywane jako system wstępnego podgrzewu gruntu), rozliczanie energii odnawialnej jest obciążone ryzykiem niedokładności. Rozliczanie energii odnawialnej z hybrydowych systemów pomp ciepła powinno być prawidłowe, a w szczególności energia odnawialna nie może być rozliczana wielokrotnie. Wytyczne dotyczące metodyk Decyzja Komisji zachęca państwa członkowskie do tego, aby dokonały własnych oszacowań dotyczących SPF i H HP. Jeżeli możliwe są lepsze oszacowania, to takie krajowe/regionalne podejścia powinny bazować na prawidłowych założeniach i reprezentatywnych próbach o wystarczającej wielkości, co będzie skutkować znacząco lepszymi oszacowaniami energii odnawialnej pochodzącej z pomp ciepła w porównaniu z wartościami szacunkowymi, otrzymanymi przy użyciu metody określonej w niniejszej decyzji. Takie ulepszone metodyki mogą się opierać na szczegółowych obliczeniach na podstawie danych technicznych, uwzględniających m.in. rok instalacji, jej jakość, rodzaj sprężarki, tryb działania, instalację odbioru ciepła, temperaturę biwalencyjną i klimat. Jeżeli państwa członkowskie stosują alternatywne metodyki lub wartości, to zachęca się do przedłożenia ich Komisji, wraz ze sprawozdaniem opisującym zastosowaną metodę i wartości. KE, w razie konieczności, przetłumaczy dokumenty i opublikuje je za pomocą swojej platformy na rzecz przejrzystości. Zgodnie z decyzją, wytyczne mogą zostać zmienione i uzupełnione przez Komisję najpóźniej do 31 grudnia 2016 r., jeżeli będzie to konieczne ze względu na postępy w statystyce, technice lub nauce.

Kwestie pominięte w decyzji KE Warto rozważyć kilka kwestii nierozstrzygniętych w decyzji Komisji. Czy należy uwzględniać, i w jakim stopniu, energię OZE w przypadku urządzeń klimatyzacyjnych z dodatkową funkcją grzewczą pompy ciepła? Stowarzyszenie PORTPC w swoich statystykach nie ujmuje takich rozwiązań, za wyjątkiem dedykowanych urządzeń, głownie do celów grzewczych. Ważnym zadaniem dla branży pomp ciepła jest oszacowanie tego, jak wiele pomp ciepła będących na polskim rynku nie spełnia warunku min. 2,5 wartości SPF. Według stowarzyszenia PORT PC dotyczy to stosunkowo niewielkiej grupy pomp ciepła powietrze/woda, zamontowanych kilka lat temu. Warto zadbać o to, aby proponowane programy wsparcia dla pomp ciepła dotyczyły tych technologii, które zapewnią zachowanie wysokich wartości współczynnika SPF, a zarazem zagwarantują niskie koszty eksploatacji. W przypadku pomp ciepła typu powietrze/woda wsparcie powinny uzyskać technologie o wysokiej efektywności (COP, SCOP). Wskazane jest również wspieranie możliwie jak najlepszych technologii (BAT ang. best available technology). Zdaniem PORT PC, należy oprzeć się na najlepszych wzorcach, czyli wykorzystać doświadczenia niemieckiego urzędu, który wspiera technologie OZE (BAFA), w tym pompy ciepła. Bardzo ważnym zadaniem jest jak najszybsze wprowadzenie w Polsce programów badawczych, określających rzeczywiste efektywności pomp ciepła w realnych warunkach użytkowania w Polsce (powietrzne pompy ciepła, pompy ciepła do c.w.u., pompy gruntowe). Komisja Europejska zachęca państwa członkowskie do tego, aby dokonały własnych oszacowań dotyczących SPF i H HP. Pomóc w tym mogą wyniki badań realnej efektywności pomp ciepła. Wzrost znaczenia pomp ciepła Pompy ciepła, które według dyrektywy 2009/28/WE uznane zostały za urządzenia korzystające z odnawialnych źródeł energii, to doskonałe rozwiązanie zastępujące system grzewczy budynku, bazujący dotychczas na paliwach konwencjonalnych. Do momentu opublikowania decyzji Komisji 2013/114/UE pompy ciepła w Polsce nie były wystarczająco wspierane w porównaniu do innych technologii korzystających z OZE. Branża pomp ciepła oczekuje na jak najszybszą transpozycję opisywanej decyzji Komisji do prawa polskiego. Byłoby to możliwe w formie rozporządzenia do ustawy, tzw. małego trójpaku.

Statystyczna ilość OZE [kwh/rok] Z porównania pomp ciepła do innych technologii korzystających z OZE (np. do termicznych kolektorów słonecznych lub paneli fotowoltaicznych) wynika, że statystyczne ilości energii z OZE dla pomp ciepła są od dwóch do pięciu razy większe niż ilości OZE pochodzące z innych mocno wspieranych obecnie technologii (w odniesieniu do nakładów inwestycyjnych rys. 3). Wyjątkiem są pompy ciepła typu solanka/woda, w przypadku których nakłady inwestycyjne są o 80% większe. Decyzja Komisji Europejskiej z 1 marca 2013 r. wzmocni znaczenie pomp ciepła na rynku polskim jako jednych z najbardziej efektywnych technologii korzystających z OZE i będzie mocnym impulsem do rozwoju tej technologii w Polsce. 20000 17643 15000 10000 10260 9263 5000 2500 3500 0 Sprężarkowa, elektryczna pompa ciepła o mocy 10 kw typu powietrze/woda Sprężarkowa, elektryczna pompa ciepła o mocy 10 kw typu solanka/woda Gazowa, absorbcyjna pompa ciepła gruntowa (solanka/woda) o mocy 10 kw Instalacja do podgrzewania wody użytkowej z kolektorami słonecznymi o pow. 7m2 Kolektory fotowoltaiczne o pow. 35m2 Rys. 3. Porównanie statystycznych ilość energii z odnawialnych źródeł energii dla pomp ciepła, kolektorów słonecznych i fotowoltaicznych (na podstawie decyzji KE 2013/114/UE i obliczeń programów symulacyjnych dla typowych warunków nasłonecznienia w Polsce)