koszty eksploatacji pomp ciepŁa - cire.pl...koszty eksploatacji pomp ciepŁa autor: filip...
TRANSCRIPT
KOSZTY EKSPLOATACJI POMP CIEPŁA
Autor: Filip Kagankiewicz
(„Rynek Energii” – 3/2018)
Słowa kluczowe: Pompy ciepła, oze, energetyka, ogrzewanie
Streszczenie. Celem artykułu jest oszacowanie i porównanie kosztów eksploatacji pomp ciepła wykorzystywa-
nych do ogrzewania budynku o powierzchni 400m2. W artykule przedstawiono algorytm doboru pompy ciepła
pod konkretny budynek mieszkalny, zwrócono uwagę na najistotniejsze zagadnienie związane z optymalizacją
kosztów eksploatacji. Obliczenia zostały wykonane dla trzech rodzajów pomp ciepła: sprężarkowej, absorpcyj-
nej oraz termoelektrycznej. Część obliczeniowa została podzielona na dwie części: związana z ogrzaniem bu-
dynku, związana z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej. Artykuł daje możliwość czytelnikowi na oszaco-
wanie kosztów eksploatacji urządzeń własnego budynku mieszkalnego.
1. WPROWADZENIE
Jednym z rozwiązań wykorzystujących odnawialne źródła energii są pompy ciepła, które
wymuszają przepływ ciepła z obszarów o niższej temperaturze do obszarów o wyższej tempe-
raturze. Proces ten powstaje na skutek odpowiednich przemian termodynamicznych nad
czynnikiem roboczym oraz energii mechanicznej dostarczanej z zewnątrz (np. energia elek-
tryczna) i jest realizowany wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła. Pompy ciepła
wykorzystują energię cieplną nagromadzoną w środowisku naturalnym, co powoduje że urzą-
dzenia te należą do najtańszych źródeł energii stosowanych np. do ogrzewania domu oraz
zapewnienia ciepłej wody. Pompy ciepła same nie generują energii, wykorzystują one energię
ze środowiska, ich rolą w instalacji jest pełnienie funkcji „wzmacniacza” cieplnego.
W niniejszym artykule zostanie przeprowadzona analiza sprawności pomp ciepła oraz koszty
ich eksploatacji. Na tej podstawie zostały zaproponowane rozwiązania komercyjne, które są
najkorzystniejsze do implementacji w rzeczywistości.
Dobór technologii
Wszystkie rodzaje typów dolnych źródeł ciepła powinny być dostosowane do predominują-
cych warunków lokalnych. Wybór rodzaju źródła dla pompy ciepła jest inny dla północnej
Europy niż dla południowej. W północnej części główną potrzebą jest potrzeba ogrzewania
budynków oraz czasem dla kilku tygodni w okresie wakacyjnym potrzeba chłodzenia. W Eu-
ropie południowej oczekiwania od takiego urządzenia są odwrócone. Poza różnicami klima-
tycznym, uwarunkowania geologiczne również będą miały wpływ na wybór technologii. Na
przykład źródła oparte na wwiercaniu się w skały nie są opłacalne w obszarach ze skalnym
podłożem i niską przewodnością termiczną oraz w obszarach gdzie są przykryte dużą warstwą
ziemi. Jednak to rozwiązanie uzyskało znaczącą popularność w Szwecji i jest promowane
jako jedno z najwydajniejszych, gdyż oferuje wysoką i stabilną temperaturę przez cały rok.
Trzeba wziąć pod uwagę wysokie koszty wiercenia przy takim rozwiązaniu. Poniżej w tabeli
przedstawiono jakie technologie są wybierane w poszczególnych częściach Europy.
Tabela 1. Technologie pomp ciepła w Europie
Rodzaj dolnego źródła Zakres mocy Zastosowanie Dominujący region
Powietrze-powietrze 3-5 kW ogrzewanie+chłodzenie Europa Południowa*
Powietrze-woda 4-40 kW ogrzewanie Europa Środkowa
Grunt skalny 5-40 kW ogrzewanie+ chłodzenie Szwecja
Grunt glebowy 5-25kW ogrzewanie Europa Północna i Środkowa
Woda jezior 15-40 kW ogrzewanie
*- główną aplikacją jest chłodzenie
Przed podjęciem decyzji o instalacji pompy ciepła każdorazowo powinna być przeprowadzo-
na szczegółowa analiza skupiająca się na ocenie efektywności energetycznej, ekonomicznej
oraz ekologicznej projektu. Ocena efektywności energetycznej jest oparta na porównaniu zu-
życia energii w pompie ciepła ze zużyciem energii w systemie ogrzewania, które jest zastą-
pione przez pompę. Oprócz analizy energetycznej konieczne z punktu widzenia inwestora jest
przeprowadzenie rachunku ekonomicznego instalacji. Analiza ekonomiczna opiera się na po-
równaniu kosztów ogrzewania innych systemów grzewczych. Pompa ciepła nie powoduje
żadnych wielkich zagrożeń dla środowiska i jest to jedna z cech powodująca gwałtowny roz-
wój i popularyzację tego typu rozwiązań.
Wybór rodzaju i typu pompy ciepła oparty jest na określeniu jej przeznaczania, dyspozycji
rodzaju źródła niskotemperaturowego, wartości współczynnika wydajności cieplnej, wyma-
ganej mocy cieplnej oraz potrzebnych parametrów pracy.
Dobierając pompę ciepła należy wykonać następujące kroki:
− wyznaczyć zapotrzebowanie na moc cieplną,
− wybrać rodzaj i parametry ogrzewania,
− wybrać źródło ciepła niskotemperaturowego,
− dobrać system pracy pompy,
− wybrać typ i wielkość pompy ciepła.
2. ZAPOTRZEBOWANIE NA MOC CIEPLNĄ BUDYNKU
Zaczynając obliczenia zapotrzebowania na moc cieplną w systemach ogrzewania stosowa-
nych w budynkach mieszkalnych i obiektach trzeba wyróżnić dwa niezależne układy, które
czasami mogą być zintegrowane:
− układ związany z ogrzewaniem budynku,
− układ przygotowania ciepłej wody użytkowej.
W celu określenia ilości potrzebnego ciepła, jaką należy doprowadzić w sezonie grzewczym
do zapewnienia założonej temperatury, niezbędne jest przygotowanie bilansu cieplnego bu-
dynku w funkcji zmieniającej się temperatury zewnętrznej Tz. Roczne zapotrzebowanie ilości
ciepła na ogrzewanie budynku może być określone z poniższego wzoru:
𝑄 = 24 ∗ 3600 ∑ 𝑄𝑖
𝑛
𝑖=1
𝜏(𝑇𝑍)
gdzie: n- liczba przedziałów temperaturowych, na jakie został podzielony sezon grzewczy
𝑄𝑖 - strumień ciepła wypływający do otoczenia przy danej temperaturze zewnętrznej Tz
τ(Tz) – liczba dni o danej temperaturze zewnętrznej na podstawie danych klimatycznych re-
gionu.
Poniżej została przedstawiona tabela, która uwzględniając dane klimatyczne w Polsce pozwa-
la określić zapotrzebowanie roczne budynku w przeliczeniu na metr kwadratowy powierzch-
ni.
Tabela 2 Zestawienie kosztów ogrzewania budynku w zależności od roku budowy obliczone [5]
Tabela 2 zostanie zweryfikowana z danymi uzyskanymi z drugiego źródła. Informacje przed-
stawione poniżej pokazują czas pracy pompy dla danej miejscowości przy włączaniu ogrze-
wania przy określonej temperaturze granicznej.
Tabela 3 Szacowana ilość godzin pracy pomp ciepła w zależności od temperatury, w której jest załączana
Dane dla Warszawy pokrywają się z tabelą 2, gdyż uwzględniając, że zapotrzebowanie ener-
getyczne na m2 wynosi 60W dla budynku energooszczędnego i porównując czas pracy pompy
dla sezonu grzewczego przy temperaturze grzewczej 12°C to wartości roczne zużycia będą do
siebie zbliżone.
Drugim układem, który wykorzystuje pompę, jest system przygotowania ciepłej wody użyt-
kowej. W odróżnieniu od systemów ogrzewania, podgrzewacze ciepłej wody użytkowej pra-
cują przez cały rok kalendarzowy. Ich moc cieplna zależy od zużycia wody w obiekcie, które
z kolej zależy od wyposażenia i przeznaczenia. Szacunkowe zużycie wody o temperaturze
60°C dla budynków mieszkalnych przedstawiono w tabeli 4.
Tabela 4 Dobowe zużycie wody na osobę w zależności od standardu budynku
Standard budynku VJ [dm3]
Niski 10-20
Wysoki 20-40
Najwyższy 40-80
Korzystając z powyższej tabeli i wiedząc ilu domowników zamieszkuje dany budynek można
obliczyć dobowe zużycie wody dla „k” osób, które wyraża się następującym wzorem:
𝑉𝐷 =𝑘𝑉𝐽
1000 [𝑚3]
gdzie: 𝑉𝐽- dobowe zużycie wody na osobę [dm3] (tabela 4) , k- ilość mieszkańców budynku.
Maksymalne zapotrzebowanie ciepła dla układów zasobnikowych pracujących przez τ dni w
roku można wyliczyć z:
𝑄𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝐷𝜌𝑓𝑐𝑝𝑓∆𝑇𝑓𝜏
gdzie: 𝑉𝐷- dobowe zużycie wody [m3],
𝜌𝑓-gęstość czynnika [kg/m3] (dla wody 𝜌𝑓=1000 kg/m3)
𝑐𝑝𝑓- ciepło właściwe czynnika [J/(kg·°C)] (dla wody 𝑐𝑝𝑓=4190 J/kg·°C)
∆𝑇𝑓- różnica temperatur między dostarczaną, a otrzymywaną wodą [°C]
𝜏- ilość dni pracy systemu w ciągu roku
Maksymalna moc cieplna takiego układu zasobnikowego o czasie nagrzewania zA [h] jest
równa:
�� =𝑄𝑚𝑎𝑥
3600𝑧𝐴=
𝑉𝐷𝜌𝑓𝑐𝑝𝑓∆𝑇𝑓𝜏
3600𝑧𝐴
Obliczając zapotrzebowanie budynku na ciepło przyjęto, że powierzchnia budynku wynosi
400m2, a także, że budynek jest energooszczędny. Na podstawie przyjętych założeń zapotrze-
bowanie na ciepło związane z systemem ogrzewania:
𝑄1 = 𝐸𝐴 ∗ 𝑠 = 80 ∗ 400 = 32000 [𝑘𝑊ℎ/𝑟𝑜𝑘]
gdzie 𝐸𝐴- zapotrzebowanie roczne energetyczne na m2 w zależności od rodzaju budynku (ta-
bela 2), s- powierzchnia budynku.
Obliczając zapotrzebowanie na ciepło związaną z systemem przygotowania ciepłej wody
przyjęto, że budynek jest w standardzie najwyższym i zamieszkuje go 5osób (k=5). Poniżej
obliczono dzienne zapotrzebowanie na ciepłą wodę:
𝑉𝐷 =𝑘𝑉𝐽
1000=
5 ∗ 50
1000= 0,25[𝑚3]
Woda dostarczana do układu podgrzewania wody będzie miała temperaturę 8°C, natomiast
temperatura ciepłej wody wymagana jest na poziomie 50°C, zatem ciepło potrzebne do uzy-
skania takiej temperatury wyraża się:
𝑄𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝐷𝜌𝑓𝑐𝑝𝑓∆𝑇𝑓𝜏 = 0,25 ∗ 1000 ∗ 4190 ∗ 42 ∗ 365 = 16058175000 [𝐽]
Urządzenie grzejne do wody pracuje dziennie 1h, co pozwala wyliczyć ile kWh energii jest
potrzebne rocznie dla takiego systemu:
𝑄2 =𝑄𝑚𝑎𝑥
3600 ∗ 1000= 4460,6[𝑘𝑊ℎ/𝑟𝑜𝑘]
Mając zapotrzebowanie na ciepło dwóch systemów można wyznaczyć całkowite zapotrzebo-
wanie budynku na ciepło:
�� = 𝑄1 + 𝑄2 = 32000 + 4460,6 = 36446,06[𝑘𝑊ℎ/𝑟𝑜𝑘]
3. PROJEKT TERMODYNAMICZNY
Zapotrzebowanie energii wyrażone w W/m2 dla budynków energooszczędnych wynosi 60
W/m2, uwzględniając metraż budynku zapotrzebowanie energetyczne całego budynku wynie-
sie 24000W. Zakładając, że część ciepła musi być dostarczana do podgrzania/utrzymania cie-
płej wody zapotrzebowanie energetyczne budynku wynosi P=24,5kW. Poniżej został przed-
stawiony cykl pracy pompy sprężarkowej oraz ilustracja przemian obiegu lewobieżnego Car-
nota we współrzędnych T,S dla pompy ciepła.
Rys.1. Schemat działania układu [2]
Wykonując dzielenie strumienia ciepła doprowadzonego przez strumień ciepła wyprowadzo-
nego możliwe jest uzyskanie zależności strumienia doprowadzonego w funkcji strumienia
ciepła wyprowadzonego w postaci
∆𝑄��
∆𝑄��
=𝑇𝑑∆��
𝑇𝑤∆��
∆𝑄�� =𝑇𝑑
𝑇𝑤∆𝑄��
Różnica tych strumieni jest równa mocy napędowej sprężarki:
𝐿𝑜𝑏𝑙𝑛 = ∆𝑄�� − ∆𝑄�� = ∆𝑄��(1 −
𝑇𝑑
𝑇𝑤)
Do wyznaczenia wartości mocy sprężarki konieczne jest wyznaczenie w pierwszej kolejności
strumienia ciepła, które potrzebuje budynek. Wartość tę pozwala nam określić zależność:
𝑄�� =3600𝑃
1000 [
𝑀𝐽
ℎ]
gdzie: P- moc wynikająca z zapotrzebowania energetycznego budynku wyrażona w kW
𝑄�� =3600 ∗ 24,5
1000= 88,2
𝑀𝐽
ℎ
Bazując na ogólnodostępnych amplitudach temperatur gruntu w Polsce do obliczeń przyjęto,
że dolne źródło będzie położone na głębokości 1,5metra, a co za tym jego najniższa tempera-
tura wyniesie 2°C. Mając na uwadze, że źródło to będzie się wychładzać założono do obli-
czeń temperaturę Td= 0°C. Temperatura górnego źródła wyniesie 36°C (ogrzewanie podło-
gowe). Posiadając te dane, możliwe jest określenie wartości strumienia ciepła dostarczonego
do układu pompy ciepła:
∆𝑄�� =𝑇𝑑
𝑇𝑤∆𝑄�� =
273,15 + 0
273,15 + 36∗
88,2 ∗ 106
3600= 21647,02 𝑊 = 21,647𝑘𝑊
Obliczanie wartości mocy napędu sprężarki:
𝐿𝑜𝑏𝑙 = ∆𝑄�� (1 −
𝑇𝑑
𝑇𝑤) =
88,2 ∗ 106
3600∗ (1 −
273,15 + 0
273,15 + 36) = 2852,984𝑊
𝐿𝑜𝑏𝑙 = 2,85 𝑘𝑊
Poniżej przedstawiono wykres, który przedstawia zmianę zapotrzebowania energii elektrycz-
nej sprężarkowej pompy ciepła przy stałej temperaturze doprowadzanej (Td= 0°C) w zależno-
ści od temperatury wyprowadzanej.
Rys. 2. Moc energii elektrycznej potrzebnej do zasilania pompy ciepła
w zależności od temperatury wyprowadzanej
0500
100015002000250030003500400045005000
1 3 5 7 9 11131517192123252729313335373941434547495153555759
Mo
c en
ergi
i ele
ktry
czn
ej [
W]
Temperatura wyprowadzana [°C]
Z wykresu można zauważyć, że im wyższa oczekiwana temperatura wyprowadzana od tem-
peratury doprowadzanej czynnika roboczego, tym większe zapotrzebowanie pompy ciepła na
dodatkową energię elektryczną.
Obliczanie wartości sprawności termicznej pompy ciepła
𝜀𝑔 =1
(1 −𝑇𝑑
𝑇𝑤)
=1
(1 −273,15+0
273,15+36)
= 8,5875
Poniżej przedstawiono wykres, który przedstawia sprawność termiczną sprężarkowej pompy
ciepła przy stałej temperaturze doprowadzanej (Td= 0°C) w zależności od temperatury wy-
prowadzanej.
Rys. 3. Sprawność termiczna w zależności od temperatury wyprowadzanej
Charakterystyka wykresu uwidacznia, że najwyższą sprawność termiczną można uzyskać,
gdy różnica temperatur doprowadzanej i wyprowadzanej jest mała. Im większa różnica tem-
peratur, tym sprawność termiczna pompy będzie mniejsza.
Wiedząc, że wykonane powyżej obliczenia projektowe są teoretyczne, a oferowany sprzęt ma
określoną sprawność do analizy ekonomicznej przyjęto, że pompa w rzeczywistości będzie
potrzebować 1,5raza więcej mocy elektrycznej, co daje:
𝐿𝑟𝑧𝑒𝑐𝑧𝑦𝑤𝑖𝑠𝑡𝑒 = 𝐿𝑜𝑏𝑙
∗ 1,5 = 2,85 ∗ 1,5 = 4,275 𝑘𝑊
Znając zapotrzebowanie energetyczne pompy oraz posiadając informacje o szacunkowej ilo-
ści pracy pompy przy określonej temperaturze załączania jest możliwe oszacowanie rocznej
kalkulacji kosztów użytkowania pompy ciepła. Dla Warszawy przy temperaturze załączania
poniżej 12°C pompa będzie pracować około 1399h, co daje łączne zapotrzebowanie na ener-
gię elektryczną równe
𝐸 = 4,275 ∗ 1399 = 5980,725 = 5981 𝑘𝑊ℎ
0
50
100
150
200
250
300
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58
Spra
wn
ość
ter
mic
zna
Temperatura wyprowadzana [°C]
Średnia cena za kWh energii elektrycznej w 2016 roku wyniosła 0,56zł brutto, a więc koszt
zużycia energii związany z tym systemem wyniesie:
5981𝑘𝑊ℎ ∗ 0,56𝑧ł
𝑘𝑊ℎ= 3349,36𝑧ł
4. OBIEG POMPY ABSORPCYJNEJ
Mając obliczone wcześniej zapotrzebowanie energetyczne oraz znając obieg pompy absorp-
cyjnej możliwe jest określenie zapotrzebowanie na strumień gazu, jaki jest potrzebny pompie,
by obieg działał zgodnie z założeniami. Uwzględniając, że z wcześniejszego obiegu sprężarka
zostanie zmieniona na „sprężarkę termiczną” to do układu trzeba będzie dostarczyć tyle samo
gazu, ile dawała sprężarka uwzględniając zmiany sprawności takich układów. Wiedząc, że w
projekcie pierwszym zapotrzebowanie mocy teoretycznej wynosiło:
𝐿𝑟𝑧𝑒𝑐𝑧 = 4,275 𝑘𝑊
Na potrzeby obliczeń przyjęto, że pompa będzie przystosowana do gazu ziemnego wysoko-
metanowego typu E (z oferty rynkowej PGNiG) i taki gaz będzie do niej dostarczany, a zatem
moc podgrzewacza wyraża się następującym wzorem:
𝑃 = 𝐾 ∗ 𝐵
gdzie K- ciepło spalania [MJ/m3], B- przepływ gazu [m3/s]. Po przekształceniu powyższego
wzoru jest możliwe obliczenie ilości gazu jaki jest potrzebny na godzinę:
𝐵 =𝑃
𝐾=
4,275 𝑘𝑊
31000 𝑘𝐽/𝑚3= 0,000138 𝑚3/𝑠
Co w przeliczeniu na godzinę daje zapotrzebowanie:
𝐵 = 0,000138𝑚3
𝑠∗ 3600
𝑠
ℎ= 0,496452 = 0,5
𝑚3
ℎ
Przy założeniu że pompa sprężarkowa ma zbliżoną sprawność do pompy absorpcyjnej średnie
zapotrzebowanie takiej pompy na gaz będzie wynosić 0,5𝑚3
ℎ, co w skali roku daje:
𝑉 = 0,5𝑚3
ℎ∗ 1399ℎ = 699,5𝑚3
Do obliczeń przyjęto, że średni koszt zakupu metra sześciennego gazu wynosi 3,74złotych
brutto, co daje łączny roczny koszt:
699,5𝑚3 ∗ 3,74𝑧ł
𝑚3= 2616,16𝑧ł
Do kosztów zakupu gazu trzeba jeszcze doliczyć zapotrzebowanie na energię elektryczną
pompy rozpuszczalnika. Oszacowano, że pompa rozpuszczalnika może mieć zapotrzebowanie
na moc wynoszące 0,5kW. Co w skali roku wygeneruje koszt:
0,5𝑘𝑊 ∗ 1399ℎ ∗ 0,56𝑧ł
ℎ= 391,72𝑧ł
Po zsumowaniu kosztów dwóch składowych wynikających z eksploatacji takiego systemu
otrzymujemy łączny wydatek roczny:
2616,16𝑧ł + 391,72𝑧ł = 3007,88𝑧ł
W porównaniu do pompy sprężarkowej, absorpcyjna pompa ciepła pozwala zredukować
koszty eksploatacji systemu grzewczego w ciągu roku, lecz niewątpliwie wiąże się z wyż-
szymi kosztami inwestycyjnymi. Gdyż oprócz instalacji samej pompy musi być podciągnięta
do budynku sieć gazowa. Oprócz tych kosztów trzeba doliczyć również koszt zakupu urzą-
dzeń do obsługi tej sieci.
5. OBIEG POMPY TERMOELEKTRYCZNEJ
Wykorzystując ponownie obliczone zapotrzebowanie energetyczne na początku artykułu oraz
znając zasady fizyczne działania pompy termoelektrycznej można stwierdzić, że w warunkach
ustalonych zimny koniec modułu w jednostce czasu pobiera z otoczenia ciepło:
−𝑃𝑐ℎ𝑙 =𝑑𝑄𝑐ℎł
𝑑𝑡= 𝛼𝑇𝑧𝐼 ±
1
2
𝜏𝐼∆𝑇
ℎ−
1
2𝑅𝐼2 − 𝐾𝑆
∆𝑇
ℎ
Górne źródło w tym czasie oddaje do otoczenia ciepło:
𝑃𝑔𝑟𝑧 =𝑑𝑄𝑔𝑟𝑧
𝑑𝑡= 𝛼𝑇𝑔𝐼 ∓
1
2
𝜏𝐼∆𝑇
ℎ+
1
2𝑅𝐼2 − 𝐾𝑆
∆𝑇
ℎ
Różnica mocy wydzielanej przez górne źródło ciepła i mocy pobieranej przez dolne źródło
ciepła jest równa mocy pobieranej z źródła prądu:
𝑃𝑒𝑙 = 𝑈𝐼 = 𝛼∆𝑇𝐼 + 𝑅𝐼2 +𝜏𝐼∆𝑇
ℎ
gdzie: U- napięcie obwodu [V] , I- natężenie prądu [A], R- opór przewodnika izotermicznego
[Ω], ∆𝑇- różnica temperatury [K], K- współczynnik przewodnictwa cieplnego K [W/m*K], 𝛼-
współczynnik Seebecka [µV/K], τ-współczynnik Thompsona, S-pole przekroju poprzecznego
przewodnika [m2], h-odległość między dolnym, a górnym źródłem [m]. Oznaczenia te odno-
szą się do trzech powyższych wzorów.
Zakładając, że temperatura dolnego źródła wynosi 0°C, natomiast temperatura górnego źródła
wynosi 36°C. Do powyższych równań przyjęto, że:
− współczynnik przewodnictwa cieplnego K wynosi 300 W/m*K,
− pole przekroju poprzecznego przewodnika S=0,01m2,
− opór przewodnika izotermicznego R= 10000 Ω,
− współczynnik Seebecka 𝛼 = 100 µV/K,
− współczynnik Thompsona τ = 0,6,
− natężenie przepływającego prądu I=0,5A.
Co pozwoliło uzyskać następujące wyniki:
𝑃𝑔𝑟𝑧 = 6641,72𝑊
−𝑃𝑐ℎ𝑙 = −1256,12𝑊
𝑃𝑒𝑙 = 7897,84 𝑊 = 7,9 𝑘𝑊
Z uzyskanych wyników widać, że inwestycja w pompę termoelektryczną wiąże się z wysoki-
mi kosztami eksploatacji, które wyniosą:
7,9𝑘𝑊 ∗ 1399ℎ ∗ 0,56𝑧ł
𝑘𝑊ℎ= 6189,18 𝑧ł
Szacowana kwota jest dwukrotnie większa od kwoty eksploatacji pompy ciepła absorpcyjnej
oraz niemal dwukrotnie od pompy sprężarkowej. Wynika to z faktu, że technologia ta jest
mniej wydajna od tamtych rozwiązań, co przedstawia również poniższy wykres:
Rys.4. Zależność współczynnika sprawności od różnicy temperatur źródeł dla pomp termoelektrycznych
Powyższa zależność jest poniekąd odpowiedzią, dlaczego nie istnieją rozwiązania pomp cie-
pła oparte na tym rozwiązaniu dla klienta detalicznego. Widać, że używanie takich pomp cie-
pła ma jedynie jakiekolwiek uzasadnienie przy niskich różnicach temperatur. Producenci sku-
pili się pewnie z tego powodu na bardziej efektywnych rozwiązaniach, które dają większe
oszczędności klientowi.
6. PODSUMOWANIE
W artykule zostały przedstawione koszty eksploatacji pomp ciepła: sprężarkowej, absorpcyj-
nej, termoelektrycznej. Poniżej przedstawiono wnioski płynące z analizy:
Uwzględniając założenia projektowe, że dolne źródło ciepła będzie mieć temperaturę 0°C,
a górne źródło temperaturę 36°C moc sprężarki w pompie powinna wynieść około 4,2kW
z uwzględnieniem współczynnika bezpieczeństwa na poziomie 1,5.
Analizując wykres pokazany na rysunku 4 można stwierdzić, że im większa różnica tem-
peratur między dolnym, a górnym źródłem tym zapotrzebowanie na energię elektryczną z
zewnątrz jest większe. Im większa różnica temperatur, tym również sprawność termiczna
układu spada (rys.5)
Najmniejszą sprawnością termiczną charakteryzuje się termoelektryczna pompa ciepła. Jej
zapotrzebowanie na moc z zewnątrz jest co najmniej dwukrotnie większe. Stosowanie ta-
kich pomp ciepła do systemów ogrzewania nie ma uzasadnienia ekonomicznego, co rów-
nież widać w ofercie komercyjnej producentów.
Na podstawie analizy ekonomicznej ustalono, że najtańsze w eksploatacji są obecnie
pompy absorpcyjne, lecz koszt instalacji takich pomp jest większy i wiąże się dodatkowo
z kosztem doprowadzenia instalacji gazowej do budynku. Pompy absorpcyjne znajdują
szersze zastosowanie w przemyśle. Oferty tych pomp wielu producentów zaczynają się od
mocy powyżej 25kW.
Oferta pomp sprężarkowych jest najbardziej spopularyzowana. Są to systemy, których
koszt instalacji wiąże się z najniższymi kosztami zakupu oraz średnimi kosztami eksploat-
acji. Pompy te charakteryzują się przyzwoitą sprawnością termiczną.
Projektując system grzewczy oparty na pompie ciepła istotnym jest dobranie odpowied-
niego rodzaju dolnego źródła ciepła. Źródłem, które zapewnia stabilne warunki pracy przy
zmieniającej się temperaturze zewnętrznej powietrza jest źródło gruntowe.
LITERATURA
[1] Wrzesiński Z., Termodynamika, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,
2002.
[2] Wrzesiński Z., Termodynamika: zbiór zagadnień i zadań z rozwiązaniami, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2002.
[3] R.Tytko, Urządzenia i systemy energetyki odnawialnej, Wydawnictwo i Drukarnia
Słowaków w Polsce, 2016.
[4] „Heat pumps technology and environmental impact”, 2016. [Online]. Dostępny:
http://ec.europa.eu/environment/ecolabel/about_ecolabel/reports/hp_tech_env_impact
_aug2005.pdf
[5] „Teoretyczne a rzeczywiste zapotrzebowanie energetyczne na centralne ogrzewanie i
wentylację mieszkań w budownictwie wielorodzinnym,” 2016. [Online]. Dostępny:
http://www.przegladbudowlany.pl/2010/11/2010-11-PB-39_Alsabry.pdf
[6] „Budowa i zasada działania absorpcyjnej pompy ciepła” 2016. [Online]. Dostępny:
http://www.ignis.agh.edu.pl/wp-content/uploads/Budowa-i-zasada-dzia%C5%82ania-
absorpcyjnej-pompy-ciep%C5%82a-Anna-Janik.pdf
[7] M.Rubik, Pompy ciepła. Poradnik, Ośrodek Informacji “Technika instalacyjna w
budownictwie”, 1999.
[8] „Wyznaczanie współczynnika efektywności pompy ciepła Peltiera” 2016. [Online].
Dostępny: http://www.gdp.pwr.edu.pl/pliki/foze/1t.pdf
[9] „Efekty termoelektryczne w ciałach stałych” 2016. [Online]. Dostępny:
http://home.agh.edu.pl/~anita_tr/ECS_cwiczenie3.pdf
[10] „Alternatywne źródła energii stosowane w budownictwie” 2016. [Online]. Do-
stępny: http://matrix.ur.krakow.pl/~isig/kbw/akty_prawne/pompa.pdf
OPERATING COSTS OF HEAT PUMPS
Key words: Heat pumps, renewable energy, energy, heating
Summary. The purpose of the article is to estimate and compare the operating costs of heat pumps used for
heating in building with an area of 400 m2. The article presents algorithm of selecting a heat pump for a specific
residential building, important issues related to the optimization of operating costs was also presented. The cal-
culations have been made for three types of heat pumps: compressor, absorption and thermoelectric. The calcu-
lated part has been separated into two parts:
- related to the heating of the building
- related to the preparation of hot utility water.
The article gives the reader the opportunity to estimate the costs of operating device in his own residential build-
ing.
Filip Kagankiewicz, uczestnik studiów doktoranckich Politechniki Warszawskiej, afilacja:
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Mechaniki i Poligrafii, Za-
kład Mechaniki i Technik Uzbrojenia, adres e-mail: [email protected]