Wpływ odbiorników ciepła na koszty ogrzewania powietrzną pompą ciepła

Artykuł omawia wpływ stosowanych powszechnie odbiorników ciepła na koszty eksploatacji powietrznej pompy ciepła. Porównano ze sobą ogrzewanie grzejnikowe, podłogowe oraz klimakonwektory zastosowane w budynku o powierzchni 130m².

Współczynnik SCOP i jego wpływ na koszty ogrzewania

Współczynnik SCOP jest średnim rocznym współczynnikiem efektywności energetycznej pompy ciepła. Wyrażany jest w bez jednostkowej wartości liczbowej. Współczynnik SCOP = 4 oznacza, że z każdej 1kWh energii elektrycznej pobranej przez pompę ciepła uzyskujemy 4 kWh energii cieplnej dostarczonej do budynku. Inaczej mówiąc, koszt 1kWh ogrzewania budynku kosztuje nas 25% ceny kWh prądu z sieci.

Współczynnik SCOP zależy od różnicy temperatury pomiędzy dolnym źródłem (powietrze zewnętrzne) a górnym źródłem (grzejniki, podłogówka, fancoile itd.). W przypadku powietrznych pomp ciepła, im niższa temperatura zewnętrzna tym chwilowy współczynnik COP jest niższy (przy tej samej temperaturze zasilania układu). W przypadku stałej temperatury dolnego źródła, wzrost temperatury wody grzewczej również obniża współczynnik COP. Współczynnik SCOP jest średnią z chwilowych współczynników COP z całego roku.

Model budynku zastosowany w obliczeniach

W przedstawionych poniżej obliczeniach wykorzystano budynek parterowy o powierzchni 130m² w współczynniku obciążenia cieplnego na poziomie 35W/m2. Zakładana temperatura wewnętrzna w budynku wynosi 20^oC. Z budynku korzystają 4 osoby, zakładane, stałe obciążenie cieplne na cele CWU wynosi 4500kWh/rok. Budynek zlokalizowany jest w Sulejówku.

Jako modelową pompę ciepła wykorzystano produkt Thermia ITEC ECO 8kW (400V) o budowie typu monoblok. Instalacja wykorzystuje jeden, bezpośredni obieg grzewczy.

Szacunkowe zapotrzebowanie na energię wynosi 13589 kWh/rok z czego 9089 kWh na cele centralnego ogrzewania. Projektowanie obciążenie cieplne w temperaturze obliczeniowej wynosi 4,5kW. Średnia temperatura roczna wynosi 7.8^oC.

Ogrzewanie grzejnikowe

W pierwszym wariancie zastosowano niskotemperaturowe ogrzewanie grzejnikowe o temperaturze zasilania/powrotu odpowiednio 55/47^oC. Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 1. Średni roczny współczynnik COP uzyskano na poziomie SCOP=2,8. Całkowita energia pobrana przez pompę ciepła wynosi 4738 kWh co przy średniej cenie 80gr/kWh daje średni roczny koszt ogrzewania na poziomie 3 790,40zł. Punkt biwalencji wynosi -16^oC co oznacza, że po osiągnięciu tej temperatury przez powietrze zewnętrzne, konieczne jest wspomaganie pompy grzałkami elektrycznymi o mocy 1,9kW. Bilans energii przedstawiono na rys.1, kolorem czerwonym zaznaczono energię pobraną przez grzałki(energia elektryczna), kolorem jasno niebieskim energię pobraną przez sprężarkę(energia elektryczna), kolorem zielonym energię pobraną z powietrza zewnętrznego(energia z OZE).

Ogrzewanie za pomocą klimakonwektorów o powiększonej powierzchni wymiennika.

Klimakonwektory to w dużym uproszczeniu grzejniki z wentylatorami. Ruch powietrza wymuszony jest pracą wentylatorów (moc około 20W), co pozwala na ograniczenie temperatury zasilania układu. W analizowanym budynku zastosowano klimakonwektory o powiększonej powierzchni wymiennika co pozwala osiągnąć parametr 40/32^oC. Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 2. Główną zmianą jest wzrost współczynnika SCOP = 3,5, uzyskano również obniżenie temperatury biwalencji co oznacza, że grzałki w tym przypadku włączą się dopiero przy temperaturze zewnętrznej równej -18^oC. Energia elektryczna zużyta przez pompę ciepła zmalała do poziomu 3 836 kWh/rok co daje koszt ogrzewania na poziomie 3 068,80zł rocznie generując oszczędność w stosunku do grzejników na poziomie 721,60zł rocznie przy zakładanej cenie prądu. Przykładowy wygląd klimakowektora przedstawiono na rys. 3. Bilans energii przedstawiono na rys. 4

Ogrzewanie za pomocą ogrzewania podłogowego pod podłogą betonową.

Ostatnim analizowanym w niniejszym artykule wariantem jest ogrzewanie podłogową pod podłogą betonową wykończoną gresem. Sposób wykończenia jest kluczowy dla efektywności energetycznej gdyż panele i drewno mają około 60-krotnie większy opór cieplny w stosunku do gresu. Stosowanie gresu jako wykończenia w połączeniu z gęstym rozłożeniem pętli ogrzewania podłogowego (rozstaw 10cm) pozwala na znaczące obniżenie temperatury zasilania i osiągnięcie parametru na poziomie 32/27^oC przy temperaturze wewnętrznej +20^oC. Wyniki obliczeń dla podłogówki przedstawiono w tabeli 3. W porównaniu do ogrzewania grzejnikowego, współczynnik SCOP=4,0 wzrósł o 1,2 co daje ponad jedną dodatkową kilowatogodzinę z każdej zużytej kWh prądu. Temperatura uruchamiania się grzałek spadła z -16 do -19^oC a łączny koszt zużycia energii elektrycznej nie przekracza 2640zł rocznie.

Podsumowanie wyników

Na podstawie przedstawionych wyników można stwierdzić przewagę ogrzewana podłogowego nad innymi technologiami odbiorników ciepła. Grzejniki są najmniej efektywnym odbiornikiem ciepła i są niezalecane w przypadku stosowania powietrznych pomp ciepła. Z przedstawionego w tabeli 4 porównania wynika, że w przypadku stosowania grzejników niskotemperaturowych, spada drastycznie dostępna moc pompy ciepła. Pokrycie obciążenia cieplnego w przypadku grzejników wynosi zaledwie 63% w stosunku do pozostałych rozwiązań. Oznacza to, że w przypadku grzejników konieczne jest zwiększenie mocy pompy ciepła lub stosowanie grzałek elektrycznych od wyższych temperatur.

Ogrzewanie podłogowe jest najlepszym rozwiązaniem w przypadku stosowania powietrznych (gruntowych również) pomp ciepła. Oszczędność energii w stosunku do grzejników dla tego samego budynku i tej samej pompy ciepła wynosi 1 449kWh co przy obecnych cenach energii daje prawie 1160zł w skali roku. Przedstawione obliczenia zostały wykonane  dla domu o powierzchni 130m² i należy pamiętać, że wraz ze wzrostem powierzchni oszczędność wzrasta.

W przypadku budynków istniejących, wyposażonych w grzejniki, rozwiązaniem pośrednim jest stosowanie klimakonwektorów, które choć nie są tak efektywne jak ogrzewanie podłogowe to pozwalają ograniczyć koszty eksploatacji o ponad połowę w porównaniu do zastosowania podłogówki. Koszty związane z wymianą grzejników na klimakonwektory są niższe w stosunku do kosztów związanych ze zrywaniem podłóg i układania ogrzewania podłogowego w budynkach istniejących. W przypadku wykonania nowej instalacji zasilającej klimakonwektory, możliwe jest wykorzystania chłodzenia z pompy ciepła o ile jednostka taką możliwość posiada.

mgr inż. Nikon Gawryluk