WSTĘP
W sezonie grzewczym powracającym tematem jest duże zużycie prądu przez pompy ciepła. Im większa ilość tego typu urządzeń na rynku, tym większa fejków pisanych pod dyktando antagonistycznych firm. Nie mam zamiaru tworzyć następnego. Nie reprezentuję żadnej ze stron, jestem tylko nauczycielem zawodu, nie sprzedaję pomp ciepła, uczę o nich. Wiem, że nie przekonam tym artykułem przeciwników, być może nadepnę też na ogon jej zwolennikom. Jeśli tak, to znaczy że tekst spełnił swoje oczekiwania i wywołał żywą dyskusję. Na taką liczę.
Chciałbym na wstępie od razu podać warunki brzegowe. Nie interesują mnie w tym momencie pompy ciepła typu solanka/woda. Skupię się na najpopularniejszym na naszym rynku rozwiązaniu, czyli pompie ciepła A/W (powietrze/woda). W artykule wykorzystam dane dwóch pomp firmy Vaillant, w tym aroTHERM 5/5 AS, oraz aroTHERM PLUS 5/6. Dlaczego właśnie te modele? Bo firma Vaillant publikuje rzetelne dane. Oba modele wykorzystują zaś inny rodzaj czynnika chłodniczego, co ma niebagatelny wpływ na zużycie energii. Pompa 5,5 AS korzysta z R410A, podczas gdy pompa 5/6 z propanu R290. Porównam pracę obu modeli w różnych systemach instalacji próbując odpowiedzieć na pytanie – skąd bierze się ten wysoki poziom zużycia energii?
W jaki sposób pompa ciepła zużywa prąd?
W pompie ciepła prąd zużywany jest przez:
- sprężarkę
- dodatkową grzałkę elektryczną jako alternatywne monoenergetyczne źródło ciepła
- grzałkę do defrostu
- grzałkę do podgrzewania karteru sprężarki
Z tych czterech urządzeń najwięcej prądu zużywa oczywiście sprężarka, która ma za zadanie podnieść ciśnienie gazowego czynnika do takiej wartości, przy której zacznie się jego skraplanie, tym samym oddawanie ciepła do górnego źródła. Pozostałe grzałki działają tylko w określonych warunkach pracy… ale po kolei.
Ile teoretycznie powinna zużyć prądu pompa ciepła na podstawie ogólnodostępnych wskaźników?
Według materiałów projektowych czas pracy sprężarki w pompach ciepła wynosi średnio około 2000h na rok. Czas ten zależny jest zwykle od strefy klimatycznej w której znajduje się budynek oraz jego położenia. Przy skrajnie niekorzystnym (np. silne wiatry, zacienienie, itp.) czas pracy może wynieść nawet około 2400h.
Spróbujmy na szybko wykonać obliczenie, które da nam mniej więcej wstępny obraz. Niech w budynku pracuje pompa ciepła o mocy 10kW i niech jej roczna sprawność SCOP (z tytułu ogrzewania w całym sezonie) wyniesie średnio 3.0. Ile prądu zużyje taka jednostka? Jeśli jest dobrze zaprojektowana i budynek dobrze położony to nie powinna pracować dłużej niż wymienione 2000h, czyli 10×2000/3 = 6666kWh. Jednostka o mocy 8kW zużyje przy tej samej sezonowej sprawności już 5333 kWh. Pamiętajmy, że mówimy o pompie ciepła typu powietrze/woda. Taka sama pompa typu B/W, gruntowa, zapewni już sprawność sezonową na poziomie 4.0 i zużycie prądu spadnie dla jednostki 8kW do 4000 kWh.
Obliczenia możemy też prowadzić inaczej, zakładając zapotrzebowanie na moc grzewczą budynku i średnie zużycie ciepłej wody dla określonej liczby osób. Spróbujmy. Niech będzie to budynek dobrze ocieplony o powierzchni 150m2, z zapotrzebowaniem na moc cieplną 50-70 kWh/m2 / rok (dane te biorę z sieci). Niech mieszka w nim 4-ro osobowa rodzina i zużywa średnio 50 litrów ciepłej wody na osobę dziennie o temperaturze 45°C. Roczne zapotrzebowanie energii z tytułu ogrzewania wyniesie 7500-10500 kWh. Ilość energii z tytułu przygotowania ciepłej wody można z kolei obliczyć ze wzoru:
Q = 0,00116 x m x Δt x 365 = 0,00116 x 4 x 50 x (45-10) x 365 = 2964 kWh
Przyjąłem do obliczeń temperaturę wody zimnej 10 stopni. Dodając straty ciepła w zasobniku tzw. postojowe w ilości 10% uzyskamy 3260 kWh. Całkowita roczna ilość energii wyniesie więc maksymalnie około 13760kWh. Dzieląc tę wartość przez średnią sprawność pompy ciepła uzyskamy:
13760/3 = 4587 kWh
Tyle tytułem obliczeń. Praktyka jednak pokazuje, że zużycie energii potrafi być dużo większe. W artykule firmy Swatt (https://swatt.pl/pl/SWATT_WIEDZY/energia-odnawialna/ile-pradu-zuzywa-pompa-ciepla) budynek o powierzchni użytkowej 140m2 , czterech osobach, zużyciu ciepłej wodu 200 litrów na dobę i ogrzewaniu niskotemperaturowym, ocieplony 20cm styropianem, okna trzyszybowe, zużył np. w ciągu całego roku 9990 kWh. Skąd takie różnice? O tym właśnie chciałbym podyskutować w poniższym artykule.
Sprężarka
Wielkość pobieranej przez nią energii zależy od mocy grzewczej pompy ciepła, rodzaju zastosowanego czynnika roboczego, temperatury dolnego i górnego źródła ciepła, rodzaju sprężarki (np. sprężarka typu ON/OFF lub typu inwerterowego), warunków pracy instalacji (tylko ogrzewanie lub ogrzewanie + c.w.u.), ustawionej krzywej grzania, itp. Wszystkie wymienione czynniki mają wpływ na wielkość zużycia energii.
W pompach ciepła występują dwa podstawowe typy sprężarek:
- sprężarki typu ON/OFF które pracują ze stałą prędkością obrotową i nie pozwalają się regulować, tym samym przez długi okres sezonu grzewczego potrafią pracować z nadmiarem mocy. Pompa ciepła wymaga wtedy w instalacji zasobnika ciepła, który jest okresowo ładowany przejmując nadmiar energii.
- sprężarki inwerterowe, z modulowaną mocą i prędkością obrotową dopasowującą się do aktualnego zapotrzebowania na ciepło
Porównanie pracy obu typów sprężarek przedstawia poniższy wykres. Jak łatwo zauważyć, sprężarka typu ON/OFF przy wysokiej temperaturze zewnętrznej ma dużą nadwyżkę ciepła w stosunku do chwilowego zapotrzebowania w budynku, podczas gdy inweterowa dopasowuje tę moc na bieżąco. Minimalny poziom na którym startuje, to 30%. Literą B oznaczono punkt biwalentny (o tym za chwilę).
Rys. Porównanie pracy sprężarki inwerterowej i sprężarki typu on/off. (źr. Hewalex).
Różnica w stosowaniu obu sprężarek jest odczuwalna też w temperaturze komfortu. Brak regulacji mocy w sprężarce ON/OFF powoduje, że załącza się ona na 100% swoich możliwości i pracuje tak aż do osiągnięcia przez górne źródło ciepła wymaganej temperatury, po czym całkowicie się wyłącza. Dla zapewnienia minimalnego czasu pracy i przerwy między kolejnymi rozruchami sprężarka taka musi pracować na dość dużej histerezie górnego źródła (zwykle ≥ 2°C). Przy ustawionej temperaturze komfortu na poziomie np. 20°C, sprężarka włączy się gdy temperatura spadnie do 18 stopni i wyłączy przy 22°C. Inwerterowa pozwala na dużo niższą histerezę pracy, rzędu 0,5°C.
Sprężarka inweterowa ma dodatkowo tak zwany miękki start, czyli podczas uruchomienia pobiera mniejszą ilość energii z sieci, podczas gdy sprężarka ON/OFF startuje z dużym prądem rozruchowym. Przy jednym uruchomieniu dziennie być może nie miałoby to znaczenia. Jednak częste taktowanie (załączanie i wyłączanie się sprężarek ON/OFF) sprzyja zwiększonemu zużyciu prądu. Tutaj znowu posłużę się danymi z sieci: „sprężarki tradycyjne taktują w tempie 3-4 razy na godzinę, podczas gdy inwerterowe maksymalnie 1-2 razy na godzinę. W skali doby sprężarka ON/OFF załączy się więc (przy 16 godzinach pracy) 48-64 razy, podczas gdy inwerterowa 16-32 razy. Jak to wszystko wpływa na zużycie energii przez obie sprężarki? Przyjmuje się (dane firmy Columbus), że zużycie prądu w takich samych warunkach pracy w budynku sprężarki typu ON/OFF jest około 25-30% wyższe od sprężarki inwerterowej.
To nie koniec różnic. Konieczność stosowania zbiorników buforowych w przypadku sprężarek ON/OFF dodatkowo zwiększa straty energii z tytułu strat postojowych samego zbiornika. Zbiornik jest tutaj pośrednio wymiennikiem ciepła i jak każdy wymiennik wprowadza dodatkowe straty w instalacji. Trudno je jednak ocenić z uwagi na szereg innych czynników, jak chociażby taryfy energetyczne. Ładowanie takiego zasobnika w czasie niskich taryf, może być bardziej opłacalne niż praca bez zasobnika w czasie wysokich cen energii.
Wpływ temperatury górnego źródła
Wykorzystanie tej samej pompy ciepła w dwóch różnych budynkach o tym samym zapotrzebowaniu energii, ale o innej temperaturze górnego źródła, to zupełnie inne zapotrzebowanie na prąd. Winę za ten stan ponosi współczynnik sprawności COP, który drastycznie zmienia się wraz ze zmianą różnicy temperatur między dolnym i górnym źródłem. Zobaczmy to na konkretnym przykładzie. Nie na darmo pompy ciepła nazywane są źródłami niskotemperaturowymi. Otwórzmy jakikolwiek folder z pompą ciepła i zobaczymy, dla jakich parametrów producent podaje sprawność COP? Dla pompy typu A/W jest to zwykle A2/W35, czyli dla temperatury powietrza zewnętrznego +2°C i wody w górnym źródle +35°C. Dla takich warunków brzegowych pompy ciepła mają wspaniałe wskaźniki sprawności, na poziomie 4 i więcej. Co jednak, gdy temperatura dolnego źródła spada, a rośnie górnego? No właśnie. Podejrzewam, że te rachunki grozy biorą się z takich budynków, gdzie ktoś namówił właściciela na pompę ciepła podłączoną do grzejników c.o. Przy ujemnych temperaturach powietrza i temperaturze na wyjściu ze skraplacza >50°C sprawność pompy ciepła spada < 2, a nawet na wykresie pojawia się informacja, że praca w takich warunkach jest poza zakresem pracy danego modelu. Co wtedy? Dramat. Pompa potrafi pracować nawet 24 godziny na dobę i dodatkowo załącza grzałkę, aby uzupełnić niedobór mocy. Moc takiej grzałki wynosi 3, 6 lub więcej kW. Pobór energii z sieci drastycznie wzrasta.
Ponownie spróbujmy to prześledzić na konkretnym przykładzie, aby nie tworzyć mitów. Wezmę dla porównania pompę o mocy 10kW i na początek czynnik R410A.
Budynek z ogrzewaniem podłogowym
Pompa ciepła może w tym wypadku pracować na niskiej krzywej grzania, np. 0,4. Jak widać z poniższego wykresu, temperatura na zasileniu 35°C pozwoli na skuteczne ogrzewanie domu nawet przy -20°C zapewniając temperaturę komfortu +20°C.
Zobaczmy jak poradzą sobie z taką temperaturą różne pompy ciepła. Na początek pompa z czynnikiem R410A.
Rys. Współczynnik COP pompy ciepła aroTHERM 5/5 AS o mocy grzewczej 10kW dla parametrów pracy A/W35. Poniżej wykres.
Jak widać, dla temperatur powietrza > +10°C sprawność pompy jest imponującą i potrafi przekraczać nawet 5,0. zapotrzebowanie energii przy tej temperaturze wynosi około 4kW, mamy jednocześnie sporą nadwyżkę energii nawet przy niskich obrotach pompy (dla obrotów 30 rps moc pompy wynosi około 6kW). Oznacza to pobór z sieci około 6/5 = 1,2 kW energii. Im niższa temperatura, tym sprawność będzie mniejsza osiągając skrajnie (dla temperatury -20°C) poziom 2,0. Czy to oznacza, że w tej skrajnej temperaturze pompa wytworzy 10 kW energii, ale kosztem pobrania z sieci 5kW? Nie. Sprawność sprężarki spada wraz ze spadkiem temperatury dolnego źródła. Spada tym samym moc końcowa pompy ciepła. Przy wysokich temperaturach powietrza może więc nawet przekraczać 10kW, ale przy niskich zachodzi zjawisko odwrotne. Może warto więc spojrzeć na wykres mocy tej jednostki.
Rys. Wykres mocy pompy ciepła j.w. Linia pochyła pokazuje wielkość zapotrzebowania ciepła w budynku.
Jak łatwo zauważyć moc 10 kW jest zapewniona ale tylko do pewnej temperatury zewnętrznej, w tym wypadku około -7°C dla prędkości obrotowej sprężarki 72rps . Punkt ten nazywa się biwalentnym i jest najniższą temperaturą zewnętrzną przy której dana pompa zapewnia żądaną moc w instalacji. Co się dzieje przy dalszym spadku temperatury? Pompa ciepła dalej pracuje, ale z coraz mniejszą sprawnością i mocą, tym samym dla zapewnienia pokrycia brakującej ilości ciepła konieczne jest załączenie dodatkowego źródła ciepła, zwykle grzałki elektrycznej. Grzałka taka pracuje już na stałej mocy załączając się na określony czas aby dogrzać wodę w górnym źródle do wymaganej wartości wynikającej z krzywej grzania. Przy temperaturze zewnętrznej -20°C moc dodatkowa wyniesie tutaj już około 3,7kW.
Na wykresie widać krzywe różnych kolorów. Każdemu odpowiada inna prędkość obrotowa sprężarki. Największą moc sprężarka osiągnie oczywiście przy obrotach maksymalnych, które w tym wypadku wynoszą 90 obr./sek. Punkt biwalentny dla tej prędkości obrotowej sprężarki ma prawie -12°C. To stanowczo za niska temperatura jak na warunki naszego kraju. Zalecana wartość takiego punktu to temperatury z przedziału -6 do -9°C. Jednak przy takich obrotach wystąpi też najwyższy hałas, który może być niedopuszczalny w nocy. Jeśli założymy, że nasza pompa musi mieć obniżony hałas w nocy i wymaga to zmniejszenia obrotów do 72/sek, to punkt taki wyniesie na naszym wykresie już około -7°C. Zmniejszenie obrotów zdecydowanie obniży hałas, ale też i moc sprężarki. Przykładowo, dla 72 obr./sek., przy temperaturze powietrza zewnętrznego -7°C sprężarka wytworzy moc równą około 8kW, ale jest to dokładnie tyle ile wynosi zapotrzebowanie budynku. Dalszy spadek temperatury powoduje już deficyt mocy sprężarki i konieczność uruchomienia dodatkowego źródła ciepła, albo podniesienia obrotów. Przy -20°C ta jednostka pompy ciepła zapewnia już tylko 5kW energii w górnym źródle dla obr. 72/sek i 6,3kW mocy dla obrotów maksymalnych. Dla zapewnienia w tej temperaturze i przy tym poziomie hałasu mocy grzewczej 10 kW w budynku zużycie prądu wyniesie:
- dla prędkości obrotowej 72 obr/sek – 4,86/2,04 + 5,14 = 7,52 kW
- dla prędkości obrotowej 90 obr/sek – 6,3/2,05 + 3,7 = 6,77 kW
Zobaczmy teraz, jak poradzi sobie z takim ogrzewaniem pompa ciepła wyposażona w czynnik R290. Rozpatrujemy oczywiście pompę ciepła o mocy 10kW i parametrach pracy instalacji A/W35. Wykresy prezentuję poniżej.
Rys. Wykresy sprawności dla pompy ciepła aroTHERM PLUS 5/6. Poniżej wykres mocy. (źr. Vaillant)
Jak łatwo zauważyć punkt biwalentny dla tego modelu pompy jest przesunięty do temperatury około -8,5°C przy obrotach 70 rps. Dla maksymalnych obrotów punkt ten wynosi niemal -13°C. Oznacza to, że dopiero w temperaturach powietrza zewnętrznego niższych niż -13°C konieczne będzie załączanie dodatkowej grzałki w systemie. Co ze sprawnością? Porównajmy ją dla temperatury -7°C. Przy podobnych obrotach 70 rps dla pompy z czynnikiem R410A wynosi 2,97 podczas gdy dla modelu z R290 3,3. Pierwsza pompa przy tej temperaturze trafia w wykres zapotrzebowania mocy, druga ma lekką nadwyżkę w stosunku do zapotrzebowania budynku. Będzie więc krócej pracowała. Trudno podać tutaj oszczędności dobowe, ale będą znaczne, tym większe im bardziej będzie spadać temperatura. Dla -20C pompa pierwsza wygeneruje jeszcze 6,3 kW, druga 6,6kW. Zwracam też uwagę, że pompa z R290 będzie mogła dalej pracować nawet do -25°C, podczas gdy z czynnikiem R410A znajdzie się poza zakresem pracy.
Tego typu dywagacje nie mają na dłuższą metę sensu, bowiem zakładają skrajną minimalną temperaturę powietrza i szukają dla niej poboru energii. W praktyce nawet najzimniejszy miesiąc zimowy styczeń ma dni z wyższą i niższą temperaturą. Dla Suwałk, polskiego bieguna zimna, średnia dobowa temperatura (według sieci) wynosi około -9,2°C. Daleko jej więc do granic pracy pompy. Jeśli współpracuje z ogrzewaniem podłogowym dodatkowa grzałka będzie się bardzo rzadko załączać. Czy zatem wyznaczenie dla takiej uśrednionej temperatury zużycie energii będzie obiektywne? No niestety nie do końca. Zobaczmy to na kolejnym przykładzie obliczeniowym.
Dla średniej temperatury -9,2 stopnia moc pompy ciepła w jednostce z R290 wyniesie na wykresie średnio 8,0-8,5 kW. Przy pracy na maksymalnych obrotach mamy nadwyżkę mocy przy tej temperaturze rzędu 1,5 kW. Pompa ma więc pewien nadmiar mocy i będzie mogła krócej pracować. Załóżmy, że jej praca wyniesie maksymalnie 14 godzin w ciągu doby. Ile zużyje prądu?
Sprawność pompy ciepła przy tej temperaturze dla obrotów 90 rps wynosi COP = 2,8. Dobowe zużycie prądu wyniesie więc:
8,25×14/2,8 = 41,25 kWh, a miesięczne dla stycznia czyli 31 dni 1278 kWh.
Ale… średnia temperatura nie ma nic wspólnego ze średnim zużyciem energii. Jeśli np. wziąć pod uwagę dwa dni z temperaturą 0°C i -18,4°C to dadzą nam średnią właśnie -9,2°C. A jakie będzie w tych dniach zużycie energii?
W temperaturze 0 stopni pompa ciepła pracuje na obrotach 45rps i pobiera moc 6,7kW, przy sprawności COP=4,2, zużycie energii dobowe wyniesie więc (zakładam tym razem 16 godzin pracy)
6,7×16/4,2 = 25,5 kWh
W temperaturze -18,4 stopnia pompa ciepła pracuje na maksymalnych obrotach przez też co najmniej 16 godzin z mocą jeszcze około 7 kW, podczas gdy w tej temperaturze zapotrzebowanie ciepła w budynku wynosi 9,7kW. Niedobór ciepła 2,7kW będzie więc musiała wyrównać grzałka. Sprawność COP przy tym punkcie pracy wynosi jeszcze około 2,0. Pobór mocy:
7×16/2 + 2,7×16 = 56 + 43,2 = 99,2 kWh
Gdyby średnie matematyczne były tutaj prawdziwe to suma tych dwóch poborów dobowych podzielona przez 2 powinna dać średnią dla -9,2°C.
(25,5+99,2)/2 = 62,35 kWh
Jak widać z powyższego, nie da się w przypadku pomp ciepła liczyć uśrednionych wartości. Będą zawsze mylne i tak naprawdę rzetelny wynik da dopiero pierwszy sezon grzewczy w danym budynku.
Przy dobrze zaprojektowanej pompie ciepła, w budynku jw. przy skrajnych temperaturach zewnętrznych, dobowe zużycie energii nie powinno przekraczać 100kWh, dla temperatur uśrednionych ta wartość powinna już spaść do około 30-50 kWh. Miesięczne zużycie >2000 kWh świadczy o pracy głównie grzałki a nie pompy, czyli niedowymiarowaniu instalacji, albo opieraniu się na fałszywych wskaźnikach. Tzw. paszporty energetyczne są niestety tworzone często na zamówienie i mają niewiele wspólnego z rzeczywistością. Zwracam też uwagę, że omówiliśmy tylko współpracę pompy z ogrzewaniem podłogowym. W praktyce urządzenie to podgrzewa też wodę użytkową i wtedy pracuje na innej krzywej grzania. Prawdziwie duże zużycie energii pojawia się jednak przy próbie adaptowania pompy ciepła do starej instalacji grzejnikowej. O tych dwóch przypadkach postaram się napisać w kolejnych artykułach.