Uwarunkowania opłacalności zastosowania pomp ciepła

Opis budowy i działania sprężarkowej pompy ciepła.

Sprężarkowe pompy ciepła (pompy cieplne, pompy grzejne) są to urządzenia umożliwiające podniesienie, przy pomocy energii mechanicznej, ciepła niskotemperaturowego na poziom wyższych temperatur, użytecznych dla celów grzewczych. Obieg w pompie cieplnej jest identyczny jak w chłodziarce, tylko odbywa się on w zakresie temperatur wyższych od temperatury otoczenia. Jako czynnik roboczy służy gaz, który można skroplić przy niezbyt wysokim ciśnieniu i przy żądanej temperaturze do ogrzewania oraz odparować przy niskim ciśnieniu i temperaturze otoczenia. Ciepło pobierane jest z tzw. dolnego źródła (np. z gruntu, z powietrza lub ze zbiornika wodnego) za pośrednictwem układu wężownic (dodatkowego wymiennika ciepła) lub bezpośrednio (tylko w przypadku płynów). Ciepło z układu dolnego źródła przekazywane jest do zabudowanego w pompie wymiennika ciepła zwanego parownikiem. W parowniku następuje przekazanie ciepła do obiegu wewnętrznego pompy. Czynnik znajdujący się w układzie wewnętrznym, pod wpływem dostarczonej energii z dolnego źródła wrze i zamienia się w gaz. Sprężarka zasysa czynnik w postaci prawie suchej pary (punkt 1) i spręża tę parę do wysokiego ciśnienia. Poprzez podwyższenie ciśnienia następuje zmiana poziomu energetycznego i czynnik uzyskuje wyższą temperaturę (punkt 2). Następnie w drugim wewnętrznym wymienniku ciepła - skraplaczu następuje wymiana ciepła z tzw. górnym źródłem (instalacja c.o., c.w.u. lub technologiczna). Czynnik ochładza się i zamienia ponownie w ciecz (punkt 3). Ciecz znajdująca się jeszcze pod wysokim ciśnieniem zostaje rozprężona w zaworze dławiącym (punkt 4) i przepływa do parownika i cały proces rozpoczyna się na nowo.

Schemat działania pompy ciepła

Termodynamicznie wartość procesu pompy cieplnej ocenia się przez podanie współczynnika wydajności (COP, Coefficient of Performance), czyli stosunku uwalnianego ciepła do równowartości wydatkowanej pracy mechanicznej. W procesie Carnota (teoretycznym) współczynnik ten jest zależny jedynie od temperatury wlotowej dolnego źródła ciepła t i od temperatury wylotowej górnego źródła ciepła T (obie wartości temperatur wyrażone w Kelvinach). Zysk ciepła jest tym wyższy, im większy jest stosunek temperatur t / T, albo im mniejsza jest różnica temperatur, o którą należy podnieść ciepło. W rzeczywistości współczynniki wydajności wykonanych urządzeń zmniejszają się wskutek całego szeregu strat. Tak więc temperatura czynnika roboczego w parowniku musi być niższa o kilka stopni, a w skraplaczu o kilka stopni wyższa niż temperatury dolnego i górnego źródła ciepła, by efektywnie zachodziły przemiany fazowe czynnika roboczego w wymiennikach. Różnica temperatur T - t wskutek tego podwyższa się, a współczynnik wydajności maleje. Dochodzą tu jeszcze straty przy sprężaniu czynnika roboczego i jego dławieniu. Rzeczywisty współczynnik wydajności otrzymuje więc postać:

COP = T / (T - t) * eta

a sprawność całkowita rzeczywistej pompy ciepła wynosi:

eta = 0,4 .. 0,5

przy czym mniejszą sprawność osiągają mniejsze pompy ciepła, a wyższą większe. Natomiast sprawność energetyczna pompy ciepła z punktu widzenia całego urządzenia, tj. stosunek włożonej ilości energii elektrycznej i ciepła niskotemperaturowego do otrzymanej ilości ciepła użytecznego przeciętnie wynosi ok. 95 % i może różnić się w zależności od konkretnych modeli pomp różnych producentów.

Zakres stosowania pomp ciepła.

Sprężarkowe pompy ciepła posiadają ograniczone parametry pracy. Wynika to z rodzaju zastosowanego w obiegu wewnętrznym czynnika oraz technicznych parametrów sprężarki. Dla sprężarkowych pomp ciepła można przyjąć następujące zakresy temperaturowe dolnego i górnego źródła ciepła:

dolne źródło ciepła: -7 st. C do 25 st. C
górne źródło ciepła: 25 st. C do 60 st. C

Dolne źródła ciepła.

Parametrami określającymi ilościowo dolne źródło ciepła są: zawartość ciepła, temperatura źródła i jej zmiany w czasie; natomiast od strony technicznej istotne są: możliwość ujęcia i pewność eksploatacji. Wśród źródeł naturalnych można wymienić:

Wody powierzchniowe.: Energia zawarta w wodach powierzchniowych pochodzi z wymiany ciepła pomiędzy wodą a powietrzem atmosferycznym i gruntem. Ponieważ temperaturę wody w rzece kształtuje wymiana ciepła z otoczeniem, poboru energii można dokonywać wielokrotnie na długości rzeki. Wadą wód powierzchniowych jako dolnego źródła są problemy z poborem energii w okresach niskich temperatur oraz przy minimalnych przepływach, a także występowanie oblodzenia. Z uwagi na zanieczyszczenie wód powierzchniowych z reguły wymagane jest stosowanie wymienników pośrednich i odpowiednich układów filtrujących, a to zmniejsza efektywność energetyczną pomp ciepła i podnosi koszty inwestycyjne.
Wody podziemne.: Wody podziemne stanowią źródło o dobrej koherentności i łatwej dostępności. Charakteryzują się małymi zmianami temperatur w ciągu roku i dla warunków klimatycznych Polski wynoszą przeważnie 5 - 12 st. C. Wody te mogą być kierowane bezpośrednio do parownika, a przy dużym zasoleniu może być zastosowany pośredni wymiennik ciepła. Wadę stanowi wysoki koszt inwestycyjny i eksploatacyjny ujęcia.
Grunt.: Grunt może być użyty jako dolne źródło tylko dla pomp ciepła o stosunkowo niewielkich wydajnościach cieplnych. Energia cieplna jest akumulowana w około 10-cio metrowej warstwie gruntu. Przyjmuje się, że na tej głębokości temperatura jest równa średniorocznej temperaturze powietrza i wynosi dla naszych warunków klimatycznych ok. 8 st. C. Z uwagi na koszty inwestycyjne poziome wymienniki gruntowe układa się na głębokości 1 - 2 m. Na tym poziomie temperatura gruntu zmienia się sinusoidalnie w skali roku i wynosi ok. 11 - 17 st. C w lecie i -1 - 5 st. C w zimie. Wartości odchyleń temperatury od wartości średniorocznej zależą od właściwości fizycznych gleby i głębokości.
Powietrze atmosferyczne.: Powietrze atmosferyczne charakteryzuje się dużą zmiennością temperatur zarówno w okresie dobowym, jak i w całym okresie grzewczym. W zakresie temperatur ujemnych występują poważne problemy z oszranianiem i odtajaniem urządzeń. Wyjątek stanowi możliwość pobierania ciepła z pomieszczeń w okresie międzygrzewczym poprzez nieczynną instalację centralnego ogrzewania i wykorzystanie ciepła np. do podgrzewu ciepłej wody użytkowej, jednak praca pompy ciepła jest tu ograniczona właśnie do okresu międzygrzewczego. Natomiast koszty inwestycji są pomniejszone o koszty wykonania wymiennika dolnego źródła ciepła oraz występują korzystne temperatury powietrza.

Dolne źródło ciepła stanowić może również odpadowe ciepło technologiczne i komunalne (np. chłodnie kominowe i wentylatorowe, układy wentylacyjne itp.).

Górne źródła ciepła.

Górne źródło ciepła stanowi instalacja grzewcza, jest ono więc tożsame z potrzebami cieplnymi odbiorcy. Parametry techniczne pomp ciepła ograniczają ich przydatność do następujących celów:

ogrzewania podłogowego: 25 - 35 st. C
ogrzewania sufitowego: do 45 st. C
ogrzewania grzejnikowego o obniżonych parametrach: np. 55/45 st. C
podgrzewania ciepłej wody użytkowej: 55 - 60 st. C
niskotemperaturowych procesów technologicznych: 25 - 60 st. C

Nie jest to wcale mały obszar zastosowania. Ciepła woda użytkowa produkowana jest w każdym zakładzie przemysłowym i gospodarstwie domowym. Wskutek budowy dobrze izolowanych termicznie budynków temperatura obliczeniowa powierzchni grzejnych jest coraz niższa i zbliża się do wartości 60 st. C. Temperatury w granicach do 40 - 50 st. C znajdują zastosowanie w ogrodnictwie, suszarnictwie itp.

Ze względów ekonomicznych oraz strat wynikających z przesyłu ciepła, pompy ciepła winno się montować w pobliżu źródeł ciepła, zarówno dolnego jak i górnego.

Efektywność ekonomiczna pomp ciepła.

Przystępując do oceny efektywności ekonomicznej zastosowania sprężarkowych pomp ciepła warto pamiętać, że energia elektryczna stosowana do napędu sprężarki jest zdecydowanie najdroższa, a wynika to z faktu, że jest energią najbardziej przetworzoną (o dużej egzergii), zatem o opłacalności decydować będzie przede wszystkim średnia efektywność energetyczna w rocznym okresie eksploatacji urządzenia. Nie bez znaczenia są również stosunkowo duże koszty inwestycyjne. Analizując wpływ poszczególnych czynników na efektywność ekonomiczną stosowania sprężarkowych pomp ciepła, można je scharakteryzować następująco:

Efektywność energetyczna pomp ciepła.: Jak wcześniej wspomniano efektywność energetyczna zależna jest przede wszystkim od różnicy temperatur pomiędzy dolnym i górnym źródłem ciepła i jest tym wyższa, im o mniejszą wartość musimy "podnieść temperaturę". Przesądza to o tym, że dla celów centralnego ogrzewania pompy ciepła są urządzeniami niekoherentnymi. Im niższe temperatury zewnętrzne, tym wyższa wymagana temperatura w instalacji odbiorczej i z reguły niższa temperatura w dolnym źródle ciepła - pociąga to za sobą spadek efektywności pompy właśnie wtedy, gdy zużycie ciepła znacznie wzrasta. W przypadku ciepłej wody użytkowej i procesów technologicznych wymagających temperatury w granicach 50 - 60 st. C efektywność pompy ciepła jest trwale niska (co oczywiście nie oznacza, że nieopłacalna), a o zastosowaniu pomp ciepła przesądzają inne czynniki ekonomiczne. Zwrócić należy również uwagę, że stosowanie pośrednich wymienników zarówno na górnym jak i na dolnym źródle znacznie pogarsza efektywność energetyczną pomp ciepła.
Wielkość nakładów inwestycyjnych.: Nakłady inwestycyjne są bardzo zróżnicowane. Zależą przede wszystkim od rodzaju dolnego źródła ciepła i sposobu jego ujęcia. Dla instalacji o mniejszych mocach koszt wykonania ujęcia dolnego źródła nierzadko przewyższa koszt zakupu samej pompy ciepła i staje się wtedy główną pozycją w koszcie całej inwestycji. Dla instalacji przemysłowych zróżnicowanie kosztów inwestycyjnych jest jeszcze większe. Analizując koszty inwestycyjne należy również zwrócić uwagę na uwzględnienie różnicy kosztów pomiędzy wykonaniem instalacji odbiorczej dostosowanej do tradycyjnych źródeł ciepła, a wykonaniem instalacji niskoparametrowej współpracującej z pompami ciepła, która wymaga większych nakładów.
Koszty eksploatacji sprężarkowych pomp ciepła.: Sprężarki pomp ciepła są najczęściej zasilane silnikami elektrycznymi, a sprężarka i silnik elektryczny stanowią hermetycznie zamkniętą całość. Zwarta budowa pompy ciepła oraz wyposażenie jej w sterownik programowalny powoduje, że nie wymaga ona żadnej obsługi oraz przeglądów i serwisu. Koszt eksploatacji ograniczony jest do kosztu zakupu energii elektrycznej. Dla odbiorców indywidualnych cena zmienna zakupu energii elektrycznej przy liczniku jednotaryfowym (taryfa G11) wynosi aktualnie (03.2012) ok. 0,60 zł/kWh brutto, a dla odbiorców przemysłowych kupujących energię z sieci średniego napięcia (taryfa B23) wynosi ok. 0,30 - 0,33 zł/kWh netto.
Efektywność ekonomiczna.: Na efektywność ekonomiczną stosowania pomp ciepła wpływ maja głównie dwa czynniki: z jednej strony efektywność energetyczna i cena zakupu energii napędowej, z drugiej strony koszty inwestycyjne. Efektywność ekonomiczna waha się w dużych granicach; przykładowo dla temperatury górnego źródła ciepła 55 st. C i temperatury w parowniku -7 st. C (wymienniki gruntowe w okresach mrozów) efektywność energetyczna wynosi 2,4; odpowiednio dla temperatur 30 st. C (ogrzewanie podłogowe) i 5 st. C (woda gruntowa) efektywność wyniesie aż 5,4. Oznacza to, że w tym konkretnym przypadku cena brutto uzyskanej jednostki ciepła wahać się może w granicach od 20,58 zł/GJ (przy cenie energii elektrycznej 0,40 zł/kWh i efektywności 5,4) do 69,44 zł/GJ (przy cenie 0,60 zł/kWh i efektywności 2,4).

Podsumowując należy stwierdzić, że podejmując decyzję o zastosowaniu sprężarkowych pomp ciepła należy bardzo starannie przeanalizować celowość i opłacalność takiej inwestycji, a w szczególności porównać z innymi możliwymi do zastosowania źródłami ciepła.

--> Powrót do Czytelnii...

Szukaj w serwisie: