W artykule przedstawiono wyniki obliczeń kosztów eksploatacji powietrznej oraz gruntowej pompy ciepła dla modelowego domu jednorodzinnego. Jako model obliczeniowy wykorzystano budynek o powierzchni 250m2 o współczynniku obciążenia cieplnego 50W/m2 w którym temperatura wewnętrzna utrzymywana jest na poziomie +24oC.
Gruntowe i powietrzne pompy ciepła
Powietrzne pompy ciepła są urządzeniami najbardziej powszechnymi na Polskim rynku. Ich przewagą w stosunku do pomp gruntowych jest cena oraz względna łatwość montażu w przypadku urządzeń typu monoblok, w których pomiędzy jednostką zewnętrzną i wewnętrzną krąży woda lub wodny roztwór glikolu( w celu ochrony przed zamarzaniem). Instalatorzy przyzwyczajeni do montowania jedynie układów wodnych bardzo chętnie sięgają po urządzenia monoblokowe stosując rozmaite zabezpieczenia przed zamarzaniem medium pośredniczącego takie jak np. UPS, termostatyczne zawory drenujące czy roztwory glikolu.
W przypadku pomp typu Split instalator musi posiadać certyfikat F-gazowy a także umiejętności twardego lutowania rur miedzianych w których następuje przepływ czynnika chłodniczego pomiędzy modułem wewnętrznym i zewnętrznym. Twarde lutowanie znacząco odbiega od powszechnego miękkiego lutowania z użyciem cyny dlatego nie jest powszechne wśród instalatorów. Uprawnienia F-gazowe są wymagające naukowo i cenowo dlatego na rynku posiadają je głównie firmy zajmujące się profesjonalnym chłodnictwem. Zaletami pomp typu split jest brak ryzyka zamarznięcia wody w instalacji w przypadku ujemnych temperatur i braku prądu a także ograniczenie strat ciepła, ograniczenie średnicy przejść przez ściany zewnętrzne oraz niższa cena samego urządzenia.
Wadą technologii powietrznych pomp ciepła (zarówno monoblok jak i split) jest odwrócona charakterystyka mocy w stosunku do zapotrzebowania na energię budynku. Oznacza to, że im niższa temperatura na zewnątrz tym pompa ciepła ma mniejszą moc i sprawność a budynek wymaga coraz większego dostarczania energii. Co więcej temperatura pracy tych urządzeń ograniczona jest do -25oC w przypadku pomp z najwyższej półki i do -15oC w przypadku urządzeń budżetowych.
Gruntowe pompy ciepła energię odnawialną pobierają z gruntu zamiast z powietrza zewnętrznego dlatego są niewrażliwe na niskie temperatury powietrza zewnętrznego. Dobrze wykonane odwierty geotermalne pozwalają na utrzymanie względnie stałej temperatury w całym sezonie grzewczym dzięki czemu urządzenie może pracować bez przeszkód również w skrajnie ujemnych temperaturach na zewnątrz. Dodatkowymi zaletami tej technologii jest możliwość taniego chłodzenia pasywnego budynku bez wykorzystania sprężarki, możliwość zrzutu ciepła do gruntu (co znacząco ogranicza koszty chłodzenia aktywnego w stosunku do klimatyzatorów), brak hałasu na zewnątrz budynku, mniejsza ilość czynnika chłodniczego w instalacji (w stosunku do split), wyższa efektywność w skali roku.
Model obliczeniowy
Jako budynek reprezentatywny wybrano dom dwukondygnacyjny o powierzchni użytkowej 250m2 i współczynniku obciążenia cieplnego 50W/m2. Temperatura wewnątrz budynku utrzymywana jest na poziomie +24oC przy wewnętrznych zyskach ciepła na poziomie 3K. Budynek wyposażony jest w ogrzewanie podłogowe o rozstawie 10cm i długości pętli nie większych niż 90mb. Posadzka wykonana z drewna i paneli podłogowych. Budynek zlokalizowany jest w Sulejówku. Budowa geologiczna gruntu pozwala na uzyskanie przewodności cieplnej na poziomie 3W/mK. W niniejszej analizie pompa ciepła nie wytwarza CWU.
Do porównania użyto dwóch najwyższych modeli producenta Thermia:
- Thermia Atlas 12
- Thermia Itec Eco 12
Wymiarowanie dolnego źródła pomp gruntowych a oszczędność energii
Wraz ze zwiększaniem ilości odwiertów wzrasta średnia roczna temperatura dolnego źródła. Analogicznie do powietrznych pomp ciepła, im cieplejszy grunt tym większa sprawność urządzenia i oszczędność kosztów. Problemem ze zwiększaniem głębokości aktywnej jest cena odwiertów, która jest dość znaczącym ograniczeniem w przypadku dobierania dolnych źródeł ciepła. Minimalna głębokość aktywna dolnego źródła powinna być dobierana tak aby grunt nie schładzał się poniżej 0oC. W przypadku przechłodzenia dolnego źródła ciepła wody gruntowe zamarzają na ściankach rury tworząc w glebie oblodzenie, które niszczy wypełnienie odwiertu. Ponadto w przypadku braku chłodzenia budynku taki zamrożony odwiert bardzo trudno jest odmrozić.
Porównanie sprawności gruntowej pompy ciepła dla trzech różnych temperatur dolnego źródła ciepła
Jak wynika z danych w tabeli 1, najwyższy współczynnik SCOP uzyskuje się dla temperatury gruntu nie niższej niż 7oC. Wymaga to wykonania 9 odwiertów po 100m każdy. W stosunku do odwiertów zapewniających minimalną temperaturę na poziomie 1oC uzyskuje się oszczędność energii na poziomie 756kWh rocznie. Analizowana pompa ciepła o mocy 12kW zapewnia pokrycie zapotrzebowania budynku na ciepło jedynie w przypadku największego odwiertu. W pozostałych przypadkach brakujące kilka procent pokrywane jest przez podgrzewacz pomocniczy i takie rozwiązanie jest najbardziej powszechnym na rynku.
W praktyce nie stosuje się odwiertów pozwalających na uzyskanie temperatury 5 czy 7 stopni gdyż oszczędność energii jest nie współmierna do nakładów inwestycyjnych. W dalszych rozważaniach uwzględniony zostanie wariant zapewniający bezpieczną pracę urządzenia przy temperaturze dolnego źródła na poziomie +1oC.
Porównanie powietrznej i gruntowej pompy ciepła
Jak wynika z danych w tabeli 2 gruntowa pompa ciepła uzyskuje w analizowanych warunkach SCOP na poziomie 4,79 podczas gdy pompa powietrzna jedynie 3,23 w skali roku. Pokrycie obciążenia cieplnego przez pompę powietrzną, o tej samej mocy znamionowej co pompa gruntowa, wynosi jedynie 66% dlatego grzałki elektryczne uruchomią się już przy -10oC.
Oszczędność energii w przypadku pompy gruntowej wynosi 3 206 kWh rocznie co daje oszczędność finansową na poziomie ponad 2500zł w skali roku (przy cenie prądu 80gr/kWh).
Bardzo ważnym aspektem w przypadku porównywania wyników obliczeń jest uwzględnienie założeń przyjętych przy ich wykonywaniu. Poniższe obliczenia sugerują, że pompa gruntowa może pracować bez grzałek do -16oC jednocześnie energia zużyta przez podgrzewacz pomocniczy wynosi 0. Jest to bardzo częsta praktyka w programach obliczeniowych producentów polegająca na założeniu średnich temperatur z ostatnich lat. W tych założeniach nie występują temperatury niższe niż -8oC dlatego w przypadku pompy powietrznej zużycie energii przez grzałki jest niewielkie a w przypadku pompy gruntowej nie występuje wcale. Dobierając urządzenie zawsze należy mieć na uwadze możliwość wystąpienia temperatur poniżej -8oC, w tedy oszczędności wynikające z pompy gruntowej nabierają nowego znaczenia.
Porównanie gruntowej i powietrznej pompy ciepła
Wpływ rodzaju posadzki na oszczędność energii
Posadzka podłogi ma ogromne znaczenie w przypadku ogrzewania podłogowego. Parkiety, drewno lub panele posiadają ponad 60-krotnie większy opór cieplny od gresu dlatego znacząco wpływają na koszt użytkowania pompy ciepła. W przypadku stosowania posadzek drewnianych i pochodnych temperatura zasilania wynosi 45oC podczas gdy w przypadku gęsto ułożonych pętli pod posadzką mineralną można uzyskać temperaturę zasilania na poziomie 32oC. Porównanie powietrznej pompy ciepła z gresem oraz parkietem przedstawiono w tabeli 3. Zmiana posadzki na gres pozwala na uzyskanie współczynnika SCOP oraz zużycia energii na poziomie porównywalnym do gruntowej pompy ciepła z ogrzewaniem podłogowym pod parkietem(według obliczeń i założeń do obliczeń producenta).
Porównanie powietrznej pompy ciepła z ogrzewaniem podłogowym pod posadzką mineralną i drewnianą
Podsumowanie
Efektywność powietrznych pomp ciepła zależy zarówno od temperatury zewnętrznej jak i jakości dobranej i wykonanej instalacji odbiorników ciepła. Producenci pomp ciepła chętnie przyjmują wysokie, średnie zewnętrzne temperatury roczne w celu ilustrowania jedynie niewielkiej przewagi pomp gruntowych nad pompami powietrznymi. Rolą instalatora jest wykonanie obliczeń i ich poprawne zinterpretowanie bez względu na to czy realizowane są przez program producenta czy „z ręki” w arkuszu obliczeniowym. Błędnie zinterpretowanie wyników obliczeń powoduje ryzyko błędnego policzenia kosztów eksploatacji, stopy zwrotu i czasu zwrotu inwestycji.
mgr inż. Nikon Gawryluk
