61B POMPY CIEPŁA mgr inż. Liliana Mirosz 1
52B1.Zasada działania System ze sprężarkową pompą ciepła polega na pobieraniu ciepła z tzw. źródła (gruntu, wody powierzchniowej, wody głębinowej, powietrza zewnętrznego lub powietrza wywiewanego z pomieszczenia), przekazywaniu pobranego ciepła do czynnika roboczego krążącego w pompie ciepła, podnoszeniu temperatury czynnika roboczego w pompie ciepła poprzez sprężanie i oddawaniu uzyskanego ciepła do instalacji w obiekcie (tzw. górnego źródła). Ciepło odebrane z źródła i przekazane w parowaczu powoduje parowanie czynnika roboczego krążącego w pompie ciepła. Para czynnika roboczego jest następnie sprężana, co powoduje wzrost jej temperatury. Sprężony czynnik przekazuje ciepło do instalacji w obiekcie w wymienniku, tzw. skraplaczu. Powoduje to skroplenie i spadek temperatury czynnika roboczego, a jednocześnie wzrost temperatury wody w instalacji w obiekcie. Czynnik roboczy jest następnie rozprężany i jego temperatura ulega obniżeniu, potem ogrzewa się w parowaczu obieg zaczyna się od początku. Rysunek 1. Schemat działania pompy ciepła (www.retscreen.net). 62B2.Rodzaje pomp ciepła i instalacji odbierających ciepło Sprężarkowe pompy ciepła można następująco sklasyfikować ze względu na czynniki przekazujące ciepło z źródła oraz do instalacji w obiekcie: B/W pompy ciepła, dla których dolnym źródłem ciepła jest grunt, a górnym powietrze wewnętrzne lub woda grzewcza; w instalacji źródła krąży solanka (pierwszy element oznaczenia - B), natomiast w instalacji grzewczej krąży woda (drugi element oznaczenia - W), B/A pompy ciepła, dla których dolnym źródłem ciepła jest grunt, a górnym powietrze wewnętrzne; czynnikiem pośredniczącym między dolnym źródłem ciepła a pompą ciepła jest roztwór glikolu (solanka), natomiast między pompą ciepła a górnym źródłem ciepła powietrze, W/W pompy ciepła, dla których dolnym źródłem ciepła jest woda powierzchniowa lub głębinowa, a górnym powietrze wewnętrzne lub woda grzewcza; czynnikiem pośredniczącym jest woda, W/A pompy ciepła, dla których dolnym źródłem ciepła jest woda powierzchniowa lub głębinowa, a górnym powietrze wewnętrzne; czynnikiem pośredniczącym między dolnym źródłem ciepła a pompą ciepła jest woda, natomiast między pompą ciepła a górnym źródłem powietrze, A/W pompy ciepła, dla których dolnym źródłem ciepła jest powietrze zewnętrzne, a górnym powietrze wewnętrzne lub woda grzewcza; czynnikiem pośredniczącym 2
między dolnym źródłem ciepła a pompą ciepła jest powietrze, natomiast w instalacji grzewczej krąży woda, A/A pompy ciepła, dla których dolnym źródłem ciepła jest powietrze wywiewane, natomiast górnym powietrze wewnętrzne; czynnikiem pośredniczącym jest powietrze. Gruntowe pompy ciepła z bezpośrednim odparowaniem czynnika roboczego (oznaczane symbolem E) są typem gruntowych pomp ciepła, jednak z uwagi na skomplikowaną technologię wykonania oraz trudności z projektowaniem obiegu czynnika roboczego i wynikającą z tego rzadkość stosowania, nie zostały ujęte w niniejszym opracowaniu. W systemach W/W i W/A pobierających ciepło z wód głębinowych instalacją źródła jest zespół studni głębinowych woda jest ujmowana w tzw. studni czerpalnej, przekazuje ciepło do czynnika roboczego w parowaczu, i wprowadzana jest z powrotem do gruntu poprzez tzw. studnię zrzutową. W przypadku wód powierzchniowych woda zasysana jest przez pompę. W systemach A/W i A/A parowacz pompy ciepła jest bezpośrednio omywany powietrzem przy pomocy wentylatora. W systemach B/W i B/A rolę źródła pełnią gruntowe kolektory poziome lub pionowe sondy głębinowe. Krążący w wymienniku gruntowym nośnik ciepła (solanka) pobiera ciepło z gruntu i przekazuje do czynnika roboczego w parowaczu. a) pionowy b) poziomy c) studnia głębinowa Rysunek 2. Typy wymienników gruntowych (www.retscreen.net). 72B3.Czynniki robocze W obiegu pompy ciepła krąży czynnik roboczy, który transportuje ciepło z niższego na wyższy poziom temperatury. Czynnik roboczy powinien być stabilny chemicznie przy wszelkich wartościach temperatury roboczej pompy ciepła, a także chemicznie obojętny do stosowanych materiałów konstrukcyjnych. Nie może być palny, toksyczny czy wybuchowy, ani wywierać szkodliwego wpływu na środowisko. Powinien charakteryzować się dużą objętościową wydajnością grzejną, aby w obiegu pompy ciepła krążyła jak najmniejsza jego ilość, co decyduje o wymiarach sprężarki. W pompach ciepła stosuje się czynniki będące mieszaninami kilku substancji o podobnych lub takich samych właściwościach fizykochemicznych. Mogą to być roztwory azeotropowe lub zeotropowe. Roztwór azeotropowy to mieszanina jednorodnych czynników chłodniczych, mających podobną temperaturę parowania i skraplania. W związku z tym podczas realizacji przemian fazowych obiegu termodynamicznego roztwór ten zachowuje się jak jednorodny czynnik roboczy i nie wykazuje poślizgu temperaturowego. Natomiast roztwór azeotropowy to mieszanina czynników mających różną temperaturę parowania i skraplania. W związku z tym podczas przemian fazowych temperatura parowania i skraplania powstałej mieszaniny 3
może być wyższa lub niższa niż temperatura każdego z jej składników, co powoduje powstawanie poślizgu temperaturowego. Obecnie w pompach ciepła najczęściej stosuje się następujące czynniki robocze: R134a (hydrofluorowęglowodór - czynnik jednorodny o wzorze chemicznym CH₂F- CF₃), R407C (mieszanina zeotropowa R32, R125 i R134a), R410A (mieszanina zeotropowa R32 i R125), R404A (mieszanina zeotropowa R32, R125 i R143a). 82B4.Charakterystyczne parametry techniczne Poniżej przedstawiono definicje charakterystycznych parametrów technicznych określających pompę ciepła wraz z najczęściej występującymi wartościami: 1. współczynnik efektywności COP (z ang. coefficient of performance) sprawność wytwarzania ciepła w urządzeniu, określana jako stosunek mocy grzewczej uzyskiwanej w pompie ciepła do mocy elektrycznej potrzebnej do napędu sprężarki (wsp. COP jest tym wyższy, im mniejsza jest różnica temperatury pomiędzy temperaturą w instalacji w obiekcie a temperaturą źródła ciepła): moc grzewcza COP moc elektryczna współczynniki wydajności grzejnej COP kształtują się obecnie na poziomie ok. 4 dla pomp ciepła typu A/W i A/A, ok. 5 dla typu B/W i B/A oraz ok. 6 dla typu W/W i W/A, 2. sezonowy współczynnik wydajności grzejnej pompy ciepła SPF (z ang. seasonal performance factor) współczynnik wydajności odniesiony do całego sezonu eksploatacji źródła ciepła, wg Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 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. Nr 201 poz. 1240: dla systemu B/W w budynkach istniejących SPF = 3,3, nowych SPF = 3,5, dla systemu W/W w budynkach istniejących SPF = 3,5, nowych SPF = 3,8, dla systemu A/W w budynkach istniejących SPF = 2,5, nowych SPF = 2,7, 3. temperatura źródła - podawana w oznaczeniu pompy ciepła, np. 10 C w W10/W50; standardowa wartość temperatury wody przed parowaczem to 10 C, 4. temperatura wody w instalacji grzewczej - podawana w oznaczeniu pompy ciepła, np. 35 C w B0/W35; standardowe wartości temperatury wody odpływającej ze skraplacza wynoszą 35 C i 55 C, 5. jednostkowa ilość ciepła pobierana z źródła ciepła: z gruntu: zależna od rodzaju gruntu, 8 40 W/m 2 powierzchni poziomego wymiennika gruntowego, 30 90 W/mb długości pionowego wymiennika gruntowego, z wód gruntowych i głębinowych: 4 500 5 900 Wh/m³, z powietrza zewnętrznego: 1,4 2,2 Wh/m³. 92B5.Wykaz urządzeń i instalacji pomocniczych Poniżej przedstawione zostały wykazy urządzeń oraz instalacji pomocniczych potrzebnych w przypadku instalowania pomp ciepła typu B/W i W/W. 4
Wykaz urządzeń: węzeł cieplny o pompa ciepła z automatyką z elementami zabezpieczającymi (dot. ciśnienia, zamarzania, elementów elektrycznych) z czynnikiem roboczym o zbiornik buforowy c.o. o zasobnik c.w.u. wraz z czujnikami temperatury (możliwość zabudowy w pompie ciepła) o pompy obiegowe (do ładowania zbiornika buforowego c.o. i zasobnika c.w.u.; możliwość zabudowy w pompie ciepła) instalacja źródła (jedna z czterech możliwości) o poziomy kolektor płaski z niezamarzającym nośnikiem ciepła ze studzienkami zbiorczymi z rurami osłonowymi przy przejściu przez ściany budynku z rozdzielaczami o poziomy kolektor spiralny z niezamarzającym nośnikiem ciepła ze studzienkami zbiorczymi z rurami osłonowymi przy przejściu przez ściany budynku z rozdzielaczami o pionowa sonda głębinowa z niezamarzającym nośnikiem ciepła z wypełnieniem odwiertu (np. bentonitem) z rurami osłonowymi przy przejściu przez ściany budynku z rozdzielaczami o studnia czerpalna i studnia zrzutowa z pompą głębinową z pompą tłoczącą wodę do studni zrzutowej z rurami osłonowymi przy przejściu przez ściany budynku z wymiennikiem pośrednim (w przypadku parametrów wody gruntowej odbiegających od dopuszczalnych) Wykaz instalacji pomocniczych: armatura hydrauliczna pięcioprzewodowa elektryczna linia zasilająca regulator pogodowy o czujnik temperatury zewnętrznej o czujnik temperatury powrotu pompy ciepła czujnik temperatury zasilania pompy ciepła czujnik poziomu płynu niezamarzającego czujnik przepływu obiegu źródła termostat pokojowy Wykaz instalacji pomocniczych opcjonalnych: zdalny system nadzoru i kontroli pompy ciepła grupa basenowa wraz z automatyką moduł chłodzenia pasywnego wraz z automatyką moduł chłodzenia aktywnego wraz z automatyką moduł wentylacyjny wraz z automatyką 5
03B6.Zastosowanie pomp ciepła w systemach ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej Pompy ciepła mogą być stosowane w systemach ogrzewania w dwóch podstawowych układach: z pompą ciepła jako jedynym źródłem zasilania instalacji ogrzewania (tzw. układ monowalentny), z pompą ciepła i źródłem uzupełniającym - np. kotłem elektrycznym, gazowym lub olejowym (tzw. układ biwalentny). Moc grzejna w układzie monowolanentnym może być regulowana na kilka sposobów. Często stosowana jest regulacja dwustawna polegająca na włączaniu i wyłączaniu silnika napędowego pompy ciepła (okresowa praca sprężarki). W przypadku pomp ciepła wyposażonych w kilka sprężarek regulacja polega na kolejnym wyłączaniu sprężarek. Jednak najkorzystniejszym sposobem regulacji jest bezstopniowa regulacja prędkości obrotowej silnika napędowego (silnik pompy ciepła musi być wówczas wyposażony w przetwornicę częstotliwości prądu zasilającego). Regulację ułatwia również zastosowanie wodnego zasobnika ciepła, jednak w tym przypadku moc pompy ciepła musi być większa, aby umożliwić jego ładowanie. W przypadku zasobników buforowych można dodatkowo wyposażyć je w grzałki elektryczne, spełniające rolę źródła uzupełniającego. W układach biwalentnych pompa ciepła oraz źródło uzupełniające (szczytowe) mogą pracować w sposób: rozdzielony źródła ciepła nie pracują równocześnie - przy danej temperaturze granicznej (tzw. biwalentnej) pompa ciepła jest wyłączana i załączane jest źródło szczytowe, równoległy - pompa ciepła pracuje wraz ze źródłem uzupełniającym do danej temperatury biwalentnej, a po jej przekroczeniu jest wyłączana i zapotrzebowanie na ciepło pokrywane jest tylko ze źródła szczytowego, mieszany pompa ciepła pracuje przez cały okres zapotrzebowania na ciepło, ale przy danej temperaturze biwalentnej uruchamiane jest dodatkowo źródło uzupełniające (woda powrotna z instalacji centralnego ogrzewania podgrzewana jest w pompie ciepła, a następnie dogrzewana do wymaganej temperatury w źródle szczytowym). W polskich warunkach klimatycznych w budynkach mieszkalnych zazwyczaj korzystniejszy jest układ biwalentny. Dodatkowo największą efektywność energetyczną pomp ciepła uzyskuje się w przypadku podłączenia do instalacji niskotemperaturowych (ogrzewanie podłogowe lub powietrzne). Wśród systemów przygotowania ciepłej wody użytkowej stosowane są dwa typy rozwiązań: ciepło przygotowywane jest w pompach ciepła typu powietrze-woda (A/W) niezależnie od ciepła do instalacji centralnego ogrzewania; pompy ciepła są wówczas wyposażone w zasobniki i eksploatowane w okresach, gdy nie działa instalacja c.o.; często instaluje się również grzałki elektryczne, które pracują w okresie zwiększonego zużycia wody (tj. gdy pompa ciepła nie pokrywa zapotrzebowania na ciepło), współpraca z przygotowaniem ciepła do instalacji centralnego ogrzewania (podgrzewanie wody wodociągowej wodą powrotną z instalacji c.o. w sezonie grzewczym oraz z pominięciem grzejników poza sezonem grzewczym). 6
13B7.Nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacyjne Poniżej przedstawiono nakłady inwestycyjne dla pomp ciepła zasilanych ciepłem z gruntu oraz wód głębinowych. W nakładach nie uwzględniono zastosowania elementów opcjonalnych, tj.: zdalny system nadzoru i kontroli pompy ciepła (1 500 6 500 zł), grupa basenowa wraz z automatyką (1 000 1 500 zł), moduł chłodzenia pasywnego wraz z automatyką (4 000 7 000 zł), moduł chłodzenia aktywnego wraz z automatyką (8 000 9 000 zł), moduł wentylacyjny wraz z automatyką (5 500 6 500 zł). Duży zakres wartości nakładów inwestycyjnych wynika z silnego wpływu mocy systemu i typu źródła (temperatura i rodzaj gruntu lub temperatura i jakość wody gruntowej) na ceny urządzeń i robocizny (wykopy, odwierty). Elementy systemu solanka woda 1 URZĄDZENIA Węzeł cieplny na potrzeby ogrzewania i przygotowania ciepłej a wody (wraz z pompą ciepła, bez źródła szczytowego) b Kolektor gruntowy lub sonda głębinowa 2 MATERIAŁY/ROBOCIZNA a Montaż pompy ciepła i elementów w węźle cieplnym b Montaż kolektora lub sondy (wraz z wykopem lub odwiertem) 3 PROJEKTOWANIE/SPEŁNIENIE WYMOGÓW FORMALNYCH a Projekt geologiczny Zakres nakładów inwestycyjnych 1 100 9 500 zł/kw mocy grzewczej 600 4 200 zł/kw mocy grzewczej 2 500 3 500 zł Tabela 1. Zakres nakładów inwestycyjnych dla elementów gruntowej pompy ciepła z systemem B/W (ceny z roku 2008). Zakres nakładów Elementy systemu woda woda inwestycyjnych 1 URZĄDZENIA Węzeł cieplny na potrzeby ogrzewania i przygotowania ciepłej a 900 8 700 zł/kw wody (wraz z pompą ciepła, bez źródła szczytowego) mocy grzewczej b Studnia głębinowa 2 MATERIAŁY/ROBOCIZNA a Montaż pompy ciepła i elementów w węźle cieplnym b Montaż studni głębinowej (wraz z odwiertem) 3 PROJEKTOWANIE/SPEŁNIENIE WYMOGÓW FORMALNYCH a Projekt geologiczny Pozwolenie wodnoprawne (wraz z operatem i opłatami b skarbowymi) Decyzja o środowiskowych uwarunkowaniach (wraz z kartą c informacyjną lub raportem i opłatami skarbowymi) 100 2 500 zł/kw mocy grzewczej 8 500 11 500 zł Tabela 2. Zakres nakładów inwestycyjnych dla elementów pompy ciepła z systemem W/W (ceny z roku 2008). Poniżej przedstawiono szczegółową prezentację cen systemów z pompą ciepła w odniesieniu do kw mocy grzewczej, w zależności od: rodzaju źródła, rodzaju instalacji źródła, temperatury źródła, 7
temperatury wody w instalacji grzewczej (+35 C oznacza ogrzewanie niskoparametrowe podłogowe, +50 C oznacza ogrzewanie wysokoparametrowe grzejnikowe), zakresu mocy grzewczej. Nakłady rzeczywiste mogą znacznie odbiegać od prezentowanych poniżej w przypadku nietypowego terenu pod wykopy (np. skalistego) oraz dużej głębokości poziomu wody gruntowej czy złej jakości wody w przypadku systemów W/W. 8
2,8-3,1 4,3-4,7 Zakres COP Tabela 3. Szczegółowe ceny systemów z pompą ciepła (B/W i W/W) w odniesieniu do kw mocy grzewczej (ceny z roku 2008). Dolne źródło grunt Instalacja źródła poziomy wymiennik gruntowy (kolektory płaskie i spiralne) Czynnik źródła/czynnik instalacji grzewczej solanka/woda (B/W) Zakres temp. źródła, o C -5 do + 20 Temp. źródła, o C 0 Temp. wody zasilającej instalację grzewczą, o C +35 +50 Rodzaj gruntu (jednostkowa moc cieplna pobierana z gruntu) sucha gleba piaszczysta (10-15 W/m 2 ) mokra gleba piaszczysta (15-20 W/m 2 ) średnio sucha glina (20-25 W/m 2 ) mokra glina (25-30 W/m 2 ) gleba nasączona wodą (30-35 W/m 2 ) sucha gleba piaszczysta (10-15 W/m 2 ) mokra gleba piaszczysta (15-20 W/m 2 ) średnio sucha glina (20-25 W/m 2 ) mokra glina (25-30 W/m 2 ) gleba nasączona Nakłady inwestycyjne, zł/kw 2-4 4-6 6-10 Zakres mocy, kw 10-15 15-30 30-50 50-70 12 000 8 100 6 100 5 400 4 600 4 300 3 400 11 400 7 400 5 400 4 700 3 900 3 400 2 700 11 000 7 100 5 100 4 400 3 600 3 000 2 400 10 800 6 800 4 800 4 100 3 300 2 800 2 100 10 600 6 700 4 700 4 000 3 200 2 700 2 000 12 500 7 900 5 900 5 200 4 400 3 700 3 000 11 900 7 400 5 300 4 600 3 800 3 200 2 500 11 600 7 100 5 000 4 300 3 500 2 900 2 200 11 400 6 900 4 800 4 100 3 300 2 700 2 000 11 300 6 700 4 700 4 000 3 200 2 500 1 900 9
2,8-3,0 4,3-4,5 Zakres COP Dolne źródło Instalacja źródła pionowy wymiennik gruntowy (pionowe sondy głębinowe) Czynnik źródła/czynnik instalacji grzewczej solanka/woda (B/W) Zakres temp. źródła, o C -5 do + 20 Temp. źródła, o C 0 Temp. wody zasilającej instalację grzewczą, o C +35 +50 Rodzaj gruntu (jednostkowa moc cieplna pobierana z gruntu) wodą (30-35 W/m 2 ) z suchą warstwą osadową (30 W/mb) kamieniste, łupek (50-55 W/mb) o dużej przewodności cieplnej (80 W/mb) o dużym przepływie wody gruntowej (100 W/mb) z suchą warstwą osadową (30 W/mb) kamieniste, łupek Nakłady inwestycyjne, zł/kw 2-4 4-6 6-10 Zakres mocy, kw 10-15 15-30 30-50 50-70 13 500 9 600 7 700 6 900 6 100 5 600 4 900 11 900 8 000 6 000 5 300 4 500 3 900 3 300 11 200 7 200 5 200 4 500 3 700 3 200 2 600 10 900 6 900 4 900 4 200 3 500 2 900 2 300 13 700 9 300 7 200 6 500 5 800 5 000 4 300 12 400 7 900 5 800 5 100 4 300 3 600 3 000 10
3,5-4,1 5,3-6,2 Zakres COP Dolne źródło Instalacja źródła Czynnik źródła/czynnik instalacji grzewczej Zakres temp. źródła, o C Temp. źródła, o C Temp. wody zasilającej instalację grzewczą, o C Rodzaj gruntu (jednostkowa moc cieplna pobierana z gruntu) (50-55 W/mb) Nakłady inwestycyjne, zł/kw 2-4 4-6 6-10 Zakres mocy, kw 10-15 15-30 30-50 50-70 o dużej przewodności cieplnej (80 W/mb) o dużym przepływie wody gruntowej (100 W/mb) 11 800 7 200 5 200 4 500 3 700 3 000 2 300 11 500 7 000 4 900 4 200 3 400 2 800 2 100 woda gruntow a studnia głębinowa (czerpalna i zrzutowa) - głęb. odwiertu 15 m woda/woda (W/W) +7 do +20 +10 +35 12 800 9 800 5 700 4 300 2 700 2 200 1 300 +50-13 400 11 100 6 100 4 200 2 800 2 000 1 100 11
Poniżej przedstawiono uśrednione nakłady inwestycyjne dla systemów pomp ciepła typu B/W i W/W w zależności od mocy grzewczej. Rysunek 3. Uśrednione nakłady inwestycyjne dla systemów pomp ciepła B/W i W/W w zależności od mocy grzewczej (ceny z roku 2008). Zwarta budowa pomp ciepła oraz wyposażenie w sterownik programowalny powodują, że nie wymagają one żadnej obsługi oraz przeglądów i serwisu. Żywotność sprężarek w pompach ciepła dochodzi do 20 lat. Koszt eksploatacji systemu centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej z pompą ciepła ograniczony jest więc do kosztu zakupu energii elektrycznej. 23B8.Wskaźniki emisji Straty na drodze od pozyskania paliwa do dostarczenia energii do budynku określane są za pomocą wskaźnika nieodnawialnej energii pierwotnej PRF, z ang. Primary Resource Factor (wskaźnik nakładu). Wskaźnik ten oznaczany jest wielkością w. Wyraża ona stosunek energii pierwotnej nieodnawialnej zawartej w paliwie ΣPE do energii końcowej dostarczonej do instalacji w budynku ΣEE, zgodnie z poniższym wzorem: w PE EE Eksploatacja pompy ciepła wymaga dostarczenia energii elektrycznej do pompy ciepła oraz pomp obiegowych. Wskaźnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie energii elektrycznej z sieci elektroenergetycznej systemowej do systemu pompy ciepła wynosi 3 (wg Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 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. Nr 201 poz. 1240). 12