Pompy ciepła artykuł analityczny Dr inż. GRZEGORZ KRZYŻANIAK Politechnika Poznańska Instytut Inżynierii Środowiska Zakład Ogrzewnictwa, Klimatyzacji i Ochrony Powietrza Analiza opłacalności podgrzewania ciepłej wody użytkowej za pomocą pomp ciepła 1.Wprowadzenie Pompy ciepła znajdują coraz szersze zastosowanie w technice grzewczej, klimatyzacyjnej i chłodniczej. W pierwszym przypadku wykorzystuje się je do podgrzewania wody w instalacjach wewnętrznych c.o. oraz w układach do podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Tradycyjnymi źródłami ciepła w tych układach są kotły gazowe, olejowe lub na paliwo stałe, podgrzewacze elektryczne i coraz częściej stosowane układy z kolektorami słonecznymi. Urządzenia te mogą pracować w tzw. układach monowalentnych i biwalentnych. W układach monowalentnych pompa ciepła jest jedynym źródłem ciepła dla układu przygotowania c.w.u. Natomiast w układzie biwalentnym zapotrzebowanie na ciepło jest pokrywane z dwóch różnych źródeł, przy czym mogą one pracować, w zależności od temperatur zewnętrznych, w trzech różnych trybach pracy. Znaczący wpływ na efektywność pracy pompy ciepła mają tzw. dolne źródła ciepła, które dzieli się na odnawialne oraz odpadowe. Do źródeł odnawialnych należą wody powierzchniowe, wody gruntowe, woda morska, powietrze, grunt, energia geotermalna skał, natomiast do źródeł odpadowych zalicza się m.in. ścieki oraz powietrze wywiewane z pomieszczeń. Dolne źródła winny charakteryzować się znaczną pojemnością cieplną, odpowiednio stałą, wysoką temperaturą oraz łatwą dostępnością. 1. Schemat pompy ciepła typu Split w układzie pośrednim [6]: 1 - wentylator, 2 - parownik pompy ciepła, 3 - zawór rozprężny, 4 - sprężarka, 5 - skraplacz pompy ciepła, 6 -pompa obiegowa czynnika pośredniczącego, 7 - zasobnik, 8 - pompa ładująco-cyrkulacyjna, 9 - przewód wody wodociągowej, 10 - przewód ciepłej wody, 11 - przewód cyrkulacyjny, 12 - zawór bezpieczeństwa Celem artykułu jest przedstawienie analizy opłacalności i porównanie efektywności ekonomicznej podgrzewania ciepłej wody za pomocą pompy ciepła z innymi metodami: niekonwencjonalną z kolektorem słonecznym i wspomagającym go kotłem gazowym oraz metodami konwencjonalnymi: kotłem gazowym w zestawie z podgrzewaczem pojemnościowym oraz z elektrycznym podgrzewaczem przepływowym. 2. Przykłady zastosowań pomp ciepła w układach przygotowania c.w.u. Wybrane przykłady zastosowań pomp ciepła w układach przygotowania c.w.u. przedstawiono poniżej. Jako jedno z dolnych źródeł w tym celu stosuje się wywiewane z pomieszczeń powietrze wentylacyjne. Jego zaletą jest stała w czasie temperatura przy stałym lub zmiennym w niewielkim zakresie przepływie powietrza. Układ taki z pompą ciepła pracującą w systemie pośrednim poboru ciepła z dolnego źródła przedstawiono na rysunku 1. Pompa ciepła w układzie biwalentnym może wykorzystywać jako dolne źródło ciepła energię słoneczną, która stosownie do potrzeb może być uzupełniana energią z gruntu (rys. 2). Należy jednak zaznaczyć, że układ taki nadaje się tylko w przypadku istnienia zamkniętego obiegu gruntowego wymiennika ciepła. Kolektory są wykorzystane do bezpośredniego ogrzewania wody użytkowej. Zastosowanie kolektorów na wyjściu z pompy ciepła powoduje, że będą one pracowały w warunkach niskich temperatur uzyskując tym samym maksymalną sprawność [8]. Biwalentne źródło ciepła, wykorzystane w domu jednorodzinnym do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania c.w.u., przedstawione na rysunku 3 składa się z elektrycznej sprężarkowej pompy ciepła (ESPC), pracującej w zakresie wyższych wartości temperatury zewnętrznej okresu grzewczego oraz kotła grzewczego c.o. (KG). W skład układu wchodzą ponadto urządzenia do pozyskiwania energii słonecznej i energii z gruntu [2]. 24 AGREGATY CHŁODNICZE ZESPOŁY SPRĘŻARKOWE Chłodnictwo tom XLII 2007 r. nr 5 CHŁODNICE CHILLERY SPRĘŻARKI KLIMATYZATORY
3. Analiza opłacalności stosowania układów podgrzewania c.w.u. W celu porównania opłacalności wykorzystania niekonwencjonalnych i konwencjonalnych źródeł energii do przygotowania ciepłej wody użytkowej założono, że zadaniem każdego z rozpatrywanych układów będzie podgrzanie takiej samej ilości wody, tj. V = 300 dm 3, przy następujących założeniach: temperatura początkowa wody, t c = 10 o C, temperatura końcowa wody, t z = 55 o C, gęstość wody dla średniej temperatury t śr = 32,5 C przyjęto r = 994,825 kg/m 3, ciepło właściwe wody dla średniej temperatury t śr = 32,5 o C przyjęto c p = 4,174 kj/(kg*k). Zapotrzebowanie ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej w ilości V = 300 dm 3 dla wszystkich przypadków będzie jednakowe i wyniesie: Q = V r c p (t z t c ) = 15,57 kwh (1) Szczegółowe założenia oraz obliczenia kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych dla 2. Instalacja przygotowania c.o. i c.w.u. w systemie biwalentnym [4] poszczególnych rozwiązań znajdują się w poz. [3]. Na podstawie wyników obliczeń cieplnych i przepływowych dobrano urządzenia oraz niezbędne elementy wyposażenia instalacji. Pozwoliło to na wyznaczenie nakładów inwestycyjnych na poszczególne instalacje oraz kosztów eksploatacyjnych poniesionych w ciągu jednego roku. Jako wskaźnik efektywności ekonomicznej zastosowania niekonwencjonalnych źródeł zastosowano wskaźnik prostego czasu zwrotu nakładów SPBT. Jego wartość wskazuje, po 3. Schemat biwalentnego źródła ciepła do zaopatrzenia w ciepło instalacji wodnej c.o. oraz c.w.u. [2]: KG kocioł grzewczy, ESPC pompa ciepła, ZCW zasobnik c.w.u., ZC zasobnik ciepła, KS kolektor słoneczny, P o pompy obiegowe, S sprężarka Chłodnictwo tom XLII 2007 r. nr 5 tel. +22 772 64 18, 772 64 83 fax +22 772 65 02 25 kom. 602 725 266 www.cool.pl e-mail: cool@cool.pl
jakim czasie od rozpoczęcia inwestycji zwrócą się poniesione nakłady finansowe. Analizie porównawczej poddano układy przygotowania c.w.u. zasilane z następujących źródeł: 1. Kocioł gazowy z pojemnościowym podgrzewaczem wody 2. Kolektory słoneczne z gazowym kotłem wspomagającym 3. Pompa ciepła 4. Elektryczny podgrzewacz przepływowy Ilość ciepła Q obliczona z zależności (1) stanowi podstawę do wyznaczenia kosztów eksploatacyjnych dla każdego z wymienionych układów przygotowania c.w.u. Przy wyznaczaniu kosztów eksploatacyjnych opłaty za energię elektryczną obliczano według stawek i metody określonej przez ENEA Spółka Akcyjna dla grupy taryfowej G11 obszaru nr III Poznańskiego zgodnie ze stanem na maj 2007 r. [10]. Natomiast koszty zużycia gazu GZ35, które w niektórych z układów podgrzewania c.w.u. stanowią drugi składnik kosztów eksploatacyjnych obliczano według stawek i metody określonej przez Wielkopolską Spółkę Gazownictwa dla grupy taryfowej Z-3 (odbiorcy korzystający z gazu w celu przygotowania posiłków, podgrzewania wody użytkowej oraz ogrzewania pomieszczeń) według stanu na maj 2007 r. [9]. 3.1. Układ do przygotowania c.w.u z kotłem gazowym Instalację podgrzewania c.w.u. z kotłem gazowym i podgrzewaczem pojemnościowym oparto głównie na urządzeniach firmy Viessmann. Przy przyjętym do analizy porównawczej zapotrzebowaniu ciepła Q = 15,57 kwh do podgrzania 300 dm 3 ciepłej wody w instalacji wykorzystano kocioł gazowy Vitodens 200 o mocy 6 24 kw oraz podgrzewacz pojemnościowy Vitocell W100 (typ CVB) wraz z wyposażeniem dodatkowym oraz armaturą zabezpieczającą. Całkowite koszty inwestycyjne urządzeń wraz z armaturą i oprzyrządowaniem wynoszą 15 693 zł. Na koszty eksploatacyjne w ciągu jednego roku składają się: koszty energii elektrycznej na napęd pompy w obiegu kocioł podgrzewacz, koszty gazu spalanego przez gazowy kocioł kondensacyjny. Roczne koszty energii elektrycznej wynoszą K el1 = 84,05 zł/rok Koszty zużycia gazu spalanego w ciągu roku wynoszą K g1 = 1101,82 zł/rok Roczne koszty eksploatacyjne wynoszą zatem K e1 = K el1 + K g1 = 1185,87 zł/rok (2) 3.2. Układ do przygotowania cw.u z wykorzystaniem kolektora słonecznego W celu porównania kosztów rozważano układ biwalentny składający się z kolektora słonecznego i kotła gazowego. Ciepło dostarczane przez kolektor pokrywa 60% zapotrzebowania, a pozostałe 40% ciepła jest uzupełniane przez kocioł. Schemat instalacji pokazano na rysunku 4. Koszty inwestycyjne całej instalacji opartej w większości na urządzeniach firmy Viessmann wynoszą 22 878 zł. Na koszty eksploatacyjne w ciągu roku składają się: koszty energii elektrycznej na napęd pomp w instalacji solarnej oraz w obiegu kocioł podgrzewacz, koszty gazu spalanego przez kocioł grzewczy. Roczne koszty energii elektrycznej wynoszą K el2 = 91,02 zł/rok Koszty zużycia gazu w ciągu roku wynoszą K g2 = 785,34 zł/rok Łączne roczne koszty eksploatacyjne wyniosą zatem K e2 = K el2 + K g2 = 876,36 zł/rok (3) 3.3. Układ do przygotowania c.w.u z pompami ciepła Przykład zastosowania pompy ciepła w instalacji przygotowania c.w.u. i ogrzewania pomieszczeń analizowano na podstawie instalacji pokazanej na rysunku 5. Dolnym źródłem ciepła jest grunt, z którego ciepło pobiera się za pomocą wymiennika gruntowego. W rozważaniach dotyczących kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych skupiono się na części instalacji podgrzewającej ciepłą wodę. Koszty inwestycyjne tej instalacji wynoszą 26 383 zł. Na koszty eksploatacyjne instalacji z pompą ciepła składają się koszty zużycia energii elektrycznej przez pompę ciepła, pompę obiegową solanki i pompę rozdzielczą. Roczne koszty eksploatacyjne wynoszą K e3 = K el3 = 267,67 zł/rok 3.4. Podgrzewanie wody za pomocą elektrycznego podgrzewacza elektrycznego 4. Instalacja solarna wraz z kotłem do przygotowania c.w.u [4] Jako ostatnią metodę do rozważań porównawczych przyjęto podgrzewanie ciepłej wody za pomocą elektrycznego podgrzewa- 26 AGREGATY CHŁODNICZE ZESPOŁY SPRĘŻARKOWE Chłodnictwo tom XLII 2007 r. nr 5 CHŁODNICE CHILLERY SPRĘŻARKI KLIMATYZATORY
1 pompa ciepła, 2 pompa pierwotna, 3 pompa rozdzielacza, 4 3 drogowy zawór przełączny, 5 podgrzewacz buforowy wody grzewczej, 6 górny czujnik temperatury wody w podgrzewaczu buforowym, 7 dolny czujnik temperatury wody w podgrzewaczu buforowym, 8 pompy obiegu grzewczego, 9 czujnik temperatury wody w podgrzewaczu, 10 pojemnościowy podgrzewacz wody, 11 elektryczne ogrzewanie dodatkowe 5. Instalacja z pompą ciepła do podgrzewania c.w.u. i ogrzewania [3] A sonda gruntowa, B - rozdzielacz solanki, C czujnik temperatury zewnętrznej, D - obieg grzewczy, E obieg grzewczy ogrzewania podłogowego cza przepływowego. Zapotrzebowanie ciepła tak jak we wszystkich przypadkach wynosi Q = 15,57 kwh. Przy założeniu czasu podgrzewania równego t = 2 godziny moc kotła wyniesie Q = 7,8 kw. Z uwagi na to, że chwilowy pobór mocy może być wyższy (jeśli kilka punktów poboru będzie jednocześnie otwartych) dobrano elektryczny podgrzewacz przepływowy Vitotron 200 firmy Viessmann o mocy znamionowej 18 kw. Koszty inwestycyjne tego rozwiązania wynoszą 1682 zł. Na koszty eksploatacyjne instalacji z przepływowym podgrzewaczem elektrycznym składa się koszt energii elektrycznej zużytej przez podgrzewacz. Roczne koszty eksploatacyjne wyniosą K e4 = K el4 = 378,39 zł/rok 3. Rachunek ekonomiczny Celem analizy ekonomicznej jest porównanie opłacalności zastosowania systemu podgrzewania c.w.u. za pomocą pompy ciepła z wariantami zasilania instalacji kolektorami słonecznymi współpracującymi z kotłem gazowym oraz kotłem gazowym z pojemnościowym podgrzewaczem wody. Rachunek ekonomicznej efektywności przeprowadzono na podstawie porównania nakładów z uzyskiwanymi efektami. W odniesieniu do wyboru źródeł ciepła należy się posługiwać wskaźnikami efektywności ekonomicznej, zgodnymi z zaleceniami UNIDO (United Nation Industrial Developed Organisation). Wskaźnikiem takim jest SPBT (Simply Pay Back Time) [1] wyrażający się zależnością: N SPBT = lata (4) O gdzie: N nakłady inwestycyjne, zł DO suma oszczędności rocznych w stosunku do układu odniesienia, zł/rok SPBT definiowany jest jako prosty czas odzyskania nakładów inwestycyjnych poniesionych na realizację danego przedsięwzięcia. Jest liczony od momentu uruchomienia inwestycji, aż do chwili, gdy suma korzyści brutto, uzyskanych w wyniku realizacji inwestycji, zrównoważy poniesione nakłady. Instalacją odniesienia dla przeprowadzanych obliczeń jest instalacja przygotowania ciepłej wody przy zastosowaniu kotła gazowego Vitodens 200 firmy Viessmann. Nakładem inwestycyjnym w przypadku obliczania SPBT jest różnica między całkowitym nakładem inwestycyjnym na instalację z niekonwencjonalnym źródłem ciepła a nakładem inwestycyjnym na instalację odniesie- Chłodnictwo tom XLII 2007 r. nr 5 tel. +22 772 64 18, 772 64 83 fax +22 772 65 02 27 kom. 602 725 266 www.cool.pl e-mail: cool@cool.pl
nia. Wykorzystując wskaźnik SPBT wyznaczono efektywność ekonomiczną kolektorów słonecznych i pomp ciepła w odniesieniu do układu tradycyjnego z kotłem grzewczym. Po uwzględnieniu kosztów otrzymanych w punkcie 3, wskaźniki SPBT wynoszą: dla instalacji solarnej SPBT = 23,2 lata, dla instalacji z pompą ciepła SPBT = 11,6 lat. Przedstawiono je na rysunku 6. Efektywność ekonomiczna niekonwencjonalnych źródeł ciepła do podgrzewania wody użytkowej nie potwierdza jednoznacznie zasadności ich stosowania. Spośród proponowanych rozwiązań (kolektor słoneczny, pompa ciepła) bardziej opłacalne jest zastosowanie do podgrzewania c.w.u. pompy ciepła, zwłaszcza, że moc grzewcza pompy ciepła może być również wykorzystana do wspomagania ogrzewania pomieszczeń. Niezbędny do odzyskania nakładów inwestycyjnych prosty czas zwrotu w przypadku instalacji solarnej okazał się niekorzystny i świadczy o niskiej opłacalności tej inwestycji. Jeśli chodzi o instalację z pompą ciepła, to inwestycja wydaje się dużo bardziej uzasadniona, zwłaszcza, że moc grzewcza nawet najmniejszej dobranej pompy ciepła wystarczy do wspomagania centralnego ogrzewania. Wartość SPBT wskazuje na całkowity brak uzasadnienia zastosowania pompy ciepła, jeśli inwestor zamierza jej użyć 6. Porównanie prostego wskaźnika efektywności ekonomicznej (czas zwrotu nakładów inwestycyjnych) dla niekonwencjonalnych źródeł podgrzewu c.w.u. Oznaczenia: 2 - kolektory słoneczne z kotłem gazowym wspomagającym, 3 - pompa ciepła wyłącznie do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Koszty inwestycyjne oraz koszty eksploatacyjne dla różnych systemów podgrzewania ciepłej wody porównano na rysunkach 7 i 8. Korzystnie pod względem kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych na tle rozważanych metod wypadł układ z elektrycznym, przepływowym podgrzewaczem wody. Jednak instalacja zasilana tą metodą, przy dużym współczynniku jednoczesności poboru ciepłej wody, może nie pokryć w całości jej chwilowego zapotrzebowania. 5. Zastosowanie pomp ciepła do podgrzewania ciepłej wody użytkowej Efektywność zastosowania pomp ciepła do podgrzewania c.w.u. zależy głównie od wyboru dolnego źródła ciepła. Pompy ciepła wykorzystujące grunt jako dolne źródło ciepła będą różniły się efektywnością od pomp ciepła zasilanych energią pobraną z wody czy powietrza. Przy wyborze dolnego źródła ciepła inwestor powinien kierować się przede wszystkim jego dostępnością i kosztami pozyskania energii. Pomimo, że grunt jest najbardziej efektywnym źródłem ciepła niskotemperaturowego, ze względu na małe wahania temperatury w ciągu roku, to pozyskanie jego ciepła wiąże się z koniecznością wykonania głębokich odwiertów dla sond pionowych i dostępnej dużej powierzchni gruntu dla poziomych wymienników gruntowych. Najwięcej problemów eksploatacyjnych ze względu na zmienność parametrów może sprawić powietrze zewnętrzne, z drugiej jednak strony jest to źródło najłatwiejsze do pozyskania energii. 7. Porównanie kosztów inwestycyjnych różnych systemów podgrzewania ciepłej wody użytkowej Oznaczenia: 1 kocioł gazowy z pojemnościowym podgrzewaczem wody, 2 kolektory słoneczne z kotłem gazowym wspomagającym, 3 pompa ciepła, 4 elektryczny podgrzewacz przepływowy Z przeprowadzonej analizy opłacalności wynika, że nakłady inwestycyjne poniesione na instalacje z pompami ciepła do podgrzewania c.w.u. zwrócą się po 11,6 latach eksploatacji. W wyniku analizy ekonomicznej okazało się, że pompy ciepła są 28 AGREGATY CHŁODNICZE ZESPOŁY SPRĘŻARKOWE Chłodnictwo tom XLII 2007 r. nr 5 CHŁODNICE CHILLERY SPRĘŻARKI KLIMATYZATORY
8. Porównanie kosztów eksploatacyjnych różnych systemów podgrzewania ciepłej wody użytkowej Oznaczenia: 1 - kocioł gazowy z pojemnościowym podgrzewaczem wody, 2 - kolektory słoneczne z kotłem gazowym wspomagającym, 3 - pompa ciepła, 4 - elektryczny podgrzewacz przepływowy obecnie najdroższym inwestycyjnie, ale i zarazem najtańszym eksploatacyjnie rozwiązaniem, przy czym ostatecznie o wzajemnych relacjach kosztów decydują jakość, poziom techniczny i ceny dobranych urządzeń oraz koszty montażu. Pompy ciepła to urządzenia, które mogą pokryć nie tylko całkowite zapotrzebowanie na energię do podgrzewania c.w.u., ale również w dużym stopniu uzupełnić ciepło niezbędne do ogrzania pomieszczeń. Czas zwrotu nakładów byłby z całą pewnością jeszcze krótszy, gdyby energia z gruntu, powietrza czy wody została wykorzystana nie tylko do podgrzewania ciepłej wody, ale również do wspomagania ogrzewania pomieszczeń. 6. Podsumowanie 1. Przy doborze dolnego źródła ciepła do zasilania układu do przygotowania c.w.u. za pomocą pompy ciepła należy brać pod uwagę jego dostępność, ilość energii zakumulowanej, temperaturę oraz zmienność jej w czasie i wynikające stąd koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. 2. Opłacalność wykorzystania danego źródła można ocenić za pomocą wskaźnika efektywności inwestycji SPBT, który jest prostym czasem odzyskania nakładów inwestycyjnych poniesionych na realizację danego przedsięwzięcia. 3. Spośród analizowanych rozwiązań układów przygotowania c.w.u. z różnymi źródłami ciepła pompy ciepła okazały się najdroższymi inwestycyjnie, ale i zarazem najtańszymi eksploatacyjnie. LITERATURA [1] DANIELEWICZ J., GOŁECKI K.: Projektowanie kotłowni wodnych, niskotemperaturowych. Materiały pomocnicze firmy DeDietrich. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2002. [2] FOIT M., MAJERSKI S.: Biwalentne źródła ciepła dla budynków mieszkalnych jednorodzinnych. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja nr 11/1994. [3] KOCZYK H. i inni: Badania i doskonalenie procesów użytkowania energii i urządzeń wbudynkach. Badania prowadzone w ramach działalności statutowej nr tematu TB-13-474/03 DS. Zadanie b : Badania nt. racjonalizacji użytkowania energii cieplnej dla potrzeb ogrzewczych budynków. Zleceniodawca: Komitet Badań Naukowych, Warszawa. [4] Materiały projektowe firmy VIESSMANN. Systemy solarne wytyczne projektowe. [5] RUBIK M.: Pompy ciepła. Poradnik. Ośrodek Informacji Technika instalacyjna w budownictwie, Warszawa 1999. [6] WARGOCKI P.: Zastosowanie pomp ciepła powietrze woda do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja nr 4/1991. [7] WIŚNIEWSKI G.: Kolektory słoneczne. Poradnik wykorzystania energii słonecznej.centralny Ośrodek Informacji Budownictwa, Warszawa 1992. [8] www.ecofys.com.pl, bachus@vg.pl [9] www.gazownia.poznan.pl [10] www.klient.enea.pl Chłodnictwo tom XLII 2007 r. nr 5 tel. +22 772 64 18, 772 64 83 fax +22 772 65 02 29 kom. 602 725 266 www.cool.pl e-mail: cool@cool.pl