Kondensacyjny kocioł gazowy w zestawie z powietrzną pompą ciepła to absolutny hit ostatnich targów ISH we Frankfurcie. Oprócz kwestii ekonomicznych, o których pisałem w poprzednim artykule (PI 3/2015), za upowszechnieniem tego rozwiązania przemawiają argumenty związane z wpływem na sieci elektroenergetyczne w Polsce, z ochroną środowiska i z europejską polityką klimatyczno-energetyczną.
Taniej, przy mniejszym obciążeniu sieci
Głównym wyzwaniem dla polskich sieci energetycznych są szczyty zapotrzebowania energii. Dotyczy to głównie tzw. szczytów dobowych, szczególnie wieczornego między godz. 16 a 20, oraz szczytów sezonowych: w zimie przy ekstremalnie dużych mrozach i latem przy bardzo wysokiej temperaturze na zewnątrz. W okresie grzewczym pory szczytu zapotrzebowania na energię to godz. 13-15 (mały szczyt) oraz 16-20 (duży szczyt). W okresie wiosenno-jesiennym duży szczyt przypada na godz. 19-21. W związku z przeciążeniami sieci elektroenergetycznych w niektórych krajach funkcjonują elektryczne taryfy dynamiczne. Niestety, w Polsce nie mamy takich rozwiązań, a obecne taryfy dla osób prywatnych nie odzwierciadlają w pełni istoty problemu przeciążenia sieci. Ale jest dobry sposób, aby pokonać ten problem. Dzięki zastosowaniu inteligentnych managerów energii można by w taki sposób zdalnie sterować pompą ciepła, aby pracowała głównie w porze najtańszej energii elektrycznej (poza szczytami). W okresach, w których występuje deficyt energii elektrycznej w sieci i zarazem jest ona wtedy najdroższa (rys. 1 i 2), pompa ciepła mogłaby być wyłączana, a załączany byłby kocioł gazowy (jeżeli wystąpi zapotrzebowanie na ciepło, np. przy niskiej temperaturze zewnętrznej). Następowałoby więc przełączenie na tańsze lub bardziej dostępne w danym czasie źródło ciepła.
W najbliższych latach można się spodziewać wzrostu liczby dostawców gazu na rynku i pojawienia się ofert łączonych sprzedaży gazu i energii elektrycznej od jednego dostawcy. Wzmocni to znaczenie pomp ciepła hybrydowych. Ich stosowanie będzie służyć stabilizacji obciążeń (spłaszczeniu zapotrzebowania) sieci elektroenergetycznej. Główna korzyść dla klientów to obniżenie łącznych kosztów ogrzewania.
Redukcja emisja CO2 i alternatywa dla kotłów węglowych
Redukcja CO2 jest obecnie kluczowym zagadnieniem klimatycznym w Europie i na świecie. Celem Unii Europejskiej na rok 2030 jest obniżenie emisji CO2 o około 40%, co będzie możliwe m.in. dzięki podniesieniu efektywności produkcji energii elektrycznej i ciepła oraz zwiększaniu udziału w tej produkcji odnawialnych źródeł energii. W Polsce zużycie ciepła to 58% zużycia energii końcowej. Bez wykorzystania potencjału związanego ze zużyciem ciepła, m.in. przez zastosowanie pomp ciepła, niezwykle trudno będzie osiągnąć redukcję CO2 aż o 40%do 2030 r. Pompy ciepła pozwalają bowiem bardziej obniżyć pośrednią emisję CO2 niż większość urządzeń (systemów) grzewczych.
Obecnie polska energetyka opiera się głównie na węglu kamiennym i brunatnym. Dodatkowo, stosunkowo mały udział elektrociepłowni w naszej energetyce powoduje, że mamy dość wysoką emisję dwutlenku węgla przypadającą na 1 kWh energii elektrycznej. Wartość ta w Polsce wynosi obecnie około 810 g/kWh (dane KOBIZE 2011 r.), przy czym średnia europejska to mniej niż 500 g/kWh. Przy zastosowaniu pompy ciepła o sezonowym współczynniku efektywności SCOP = 3,5, np. typu solanka-woda, rzeczywista (pośrednia) emisja CO2 wynosi 232 g na każdą 1 kWh ciepła przekazanego do instalacji. W 2020 r., przy prognozowanej emisji CO2 równej 700 g/kWh (prognozy Ministerstwa Gospodarki zawarte w KPD z 2010 r.), korzystanie ze sprężarkowej pompy ciepła o SCOP = 2,75 da emisję CO2 mniejszą niż z kotła gazowego, przy tej samej mocy grzewczej (rys. 3, 4).
Należy mieć nadzieję, że dalszy wzrost udziału OZE w polskiej energetyce, np. w postaci farm wiatrowych i fotowoltaicznych czy kogeneracji ciepła i prądu, doprowadzi do powstania zielonych taryf energii elektrycznej przeznaczonych dla użytkowników pomp ciepła.
Przeprowadzając analizy ekologiczne, warto brać pod uwagę średni okres użytkowania pomp ciepła, który wynosi około 20 lat. W 2020 czy 2030 r. sprężarkowe pompy ciepła będą bowiem o wiele bardziej korzystniej wpływać na środowisko niż obecnie. Z biegiem czasu zwiększać się będzie nie tylko łączny udział energii odnawialnej w energii przekazywanej przez takie urządzenia do instalacji, ale też wzrośnie efektywność energetyczna pomp ciepła w odniesieniu do zużywanej energii pierwotnej. Podejście do tej technologii powinno być więc zupełnie inne niż do pozostałych źródeł energii odnawialnej, dla których te parametry są i pozostaną ciągle niezmienne.
Zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych w naszej energetyce oraz jednoczesne upowszechnienie zielonych taryf dla pomp ciepła będzie skutkować zwielokrotnionym obniżeniem emisji CO2 w stosunku do wykorzystania konwencjonalnych technologii. Użycie do napędu pompy ciepła prądu z biomasy lub biogazu jeszcze bardziej obniży pośrednią emisję CO2. Znacząco niższa będzie emisja CO2 przypadająca na jednostkę pobranej energii elektrycznej: w przypadku zastosowania zielonego prądu wynosi ona tylko 40 g/kWh. Przy zastosowaniu pompy ciepła typu powietrze-woda o współczynniku SCOP = 3,5 emisja CO2 spada poniżej 12 g/kWh ciepła. Przy zastosowaniu pompy ciepła typu solanka-woda o SCOP = 4,0 emisja CO2 spada do 10 g/kWh prądu.
Likwidacja niskiej emisji zanieczyszczeń
Ocena efektywności: współczynniki COP, SPF i SCOP |
Współczynnik efektywności COP (ang. Coefficient of Performance) jest zmienny i zależy od warunków pracy, dlatego też lepszym wskaźnikiem do oceny efektywności pomp ciepła jest sezonowy (roczny) współczynnik efektywności SPF (ang. Seasonal Performance Factor). spółczynnik SPF określa efektywność pompy ciepła w warunkach rzeczywistych (na podstawie pomiarów). Jest on definiowany jako zależność między ciepłem przekazywanym przez pompę ciepła (w kWh) a zużytą energią elektryczną (w kWh), która jest dostarczona do sprężarki pompy ciepła w określonym okresie pracy. Najczęściej okresem pomiaru dla współczynnika SPF jest rok. |
Od kilkunastu lat powietrze w Polsce nie spełnia nawet minimalnych standardów jakości. W wielu miejscach stężenie toksycznych i rakotwórczych substancji w powietrzu wielokrotnie przekracza dopuszczalne normy. Według szacunków NIK z tego powodu co roku około 45 tysięcy osób traci życie i jest to ponad 10-ciokrotnie większa liczba zgonów niż w wypadkach samochodowych. Jak podaje opublikowany pod koniec 2014 r. raport Europejskiej Agencji Środowiska (EEA), szkody w latach 2008-2012 wynikłe z zanieczyszczenia powietrza i emisji gazów cieplarnianych kosztowały Polskę od 43 do 132 mld euro! Są to koszty związane z leczeniem, hospitalizacją, rentami, opuszczaniem pracy i przedwczesnymi zgonami, jak również m.in. z zanieczyszczeniem budynków czy zmniejszonymi plonami. Raport WHO z kwietnia 2015 r. pokazuje jeszcze bardziej zatrważającą prawdę o skutkach zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego w Polsce. W roku 2010 zanieczyszczenia te przyczyniły się do przedwczesnej śmierci 48 544 naszych rodaków. Spośród uwzględnionych w raporcie krajów w roku tym więcej zgonów odnotowano tylko w Rosji i Ukrainie. Raport WHO w statystykach uwzględnia dwie składowe. Jedną z nich są zanieczyszczenia powietrza otoczenia cząstkami pyłu, drugą zanieczyszczenia powietrza wytwarzane przez gospodarstwa domowe wykorzystujące paliwa stałe. Pod względem zgonów spowodowanych spalaniem konwencjonalnych paliw w gospodarstwach domowych w 2010 r. Polska zajmuje niechlubne drugie miejsce. Z liczbą 23 816 przedwczesnych śmierci, w czarnym rankingu pokonujemy wszystkie objęte raportem kraje, za wyjątkiem Rosji. Zgony spowodowane zanieczyszczeniem powietrza w Polsce generują koszty w wysokości 101 826 mln dolarów, co stanowi aż 12,9% produktu krajowego brutto (PKB). W przeliczeniu na jednego mieszkańca Polski to ponad 800 złotych miesięcznie! Za fatalną jakość powietrza, którym oddychamy, w największej mierze odpowiada tzw. niska emisja zanieczyszczeń. Terminem tym określa się zanieczyszczenia emitowane do 40 m wysokości nad ziemią. Ich źródłem są głównie gospodarstwa domowe i rolne oraz lokalne kotłownie. Zastosowanie w Polsce na szerszą skalę pomp ciepła, w tym również układów hybrydowych, może przynieść znaczne obniżenie emisji zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym, zwłaszcza pyłu zawieszonego PM 10 i PM 2,5 (PM, ang. Particulate Matter – pył o rozmiarach poniżej 10 μm lub poniżej 2,5 μm; dla porównania średnica ludzkiego włosa to około 50-70 μm). A to właśnie pyły zawieszone PM 2,5 i PM10 oraz benzoalfapireny są uznawane za szczególnie groźne – wskazują na to badania różnych rodzajów zanieczyszczeń powietrza, takich jak: dwutlenek siarki SO2, tlenek azotu NO, dwutlenek azotu NO2, tlenki azotu NOx, tlenek węgla CO, ozon O3 czy benzen. W przeciwieństwie do pozostałych zanieczyszczeń pyły zawieszone wielokrotnie i przez znaczną część roku przekraczają dopuszczalne normy roczne oraz dobowe i to na znacznych obszarach Polski. Są niewidoczne gołym okiem, ale mogą przenosić wszelkie zanieczyszczenia chemiczne i biologiczne (toksyny, kancerogeny, bakterie, wirusy), powodując u ludzi złe samopoczucie, podrażnienie oczu i śluzówek. Duże stężenie pyłów zawieszonych może prowadzić do ostrych i przewlekłych stanów zapalnych układu oddechowego, alergii (a w konsekwencji do astmy), niedotlenienia, migren itp.
Z dostępnych powszechnie pomiarów emisji widać wyraźne powiązanie między emisją pyłów PM 2,5 i PM 10 a temperaturą zewnętrzną. W miesiącach zimowych emisja PM 10 wzrasta gwałtownie, co najprawdopodobniej jest związane z emisją spalin, głównie z węglowych kotłów grzewczych. Dodatkowo, jeśli przez wiele dni, a nawet tygodni, utrzymuje się pogoda wyżowa i brakuje odpowiedniej cyrkulacji powietrza, powstaje realne zagrożenie dla zdrowia, szczególnie dla mieszkańców Warszawy oraz południa Polski (głównie Małopolski i Górnego Śląska).
Upowszechnienie pomp ciepła, również hybrydowych, może się przyczynić do wyraźnej redukcji emisji pyłów zawieszonych PM 10 i PM 2,5. Pompy ciepła to jedna z niewielu technologii grzewczych nie powodujących żadnej lokalnej emisji zanieczyszczeń, tzw. niskiej emisji. Także gazowe kotły kondensacyjne należą do urządzeń praktycznie nieemisyjnych.
Zgodnie z dyrektywą – udział ciepła z OZE
Dyrektywa OZE (28/WE/2009) z 2009 r. zobowiązuje wszystkie kraje członkowskie UE do wprowadzenia wymogu stosowania odnawialnych źródeł energii na potrzeby nowych budynków. Z dyrektywy wynika też konieczność wprowadzenia do krajowego prawodawstwa zapisu konkretnego wymogu minimalnej wartości udziału OZE wyrażonej w procentach. Niestety, zapis taki nie pojawił się w ustawie o OZE, chociaż pierwotnie był w jej projekcie. Tymczasem w wielu krajach Europy wymóg ten już wprowadzono, np. na Słowacji minimalny udział energii z odnawialnych źródeł na potrzeby nowych budynków wynosi 50%, w Danii 51-56%, na Litwie 50%, we Włoszech 50% w przypadku c.w.u., a od 2016 r. będzie to 50% całości energii. W innych krajach, np. w Belgii, Holandii, jest planowane wprowadzenie tego wymogu. Warto pamiętać, że zwiększenie udziału OZE w nowych budynkach jest również możliwe przez zaostrzenie wymogów w zakresie zużycia energii pierwotnej. Tak się dzieje m.in. w Niemczech czy we Francji. Maksymalne wartości progowe dla zużytej jednostkowej energii pierwotnej w Niemczech, np. 50 kWh/m2, wymuszą zastosowanie pompy ciepła, kotła na biomasę czy kolektorów słonecznych. Ponieważ ciepło potrzebne do centralnego ogrzewania i podgrzewania wody użytkowej stanowi ponad 80% całości energii zużywanej w nowych budynkach, to najprościej spełnić wymóg minimalnego udziału energii z OZE przez zastosowanie odpowiedniego urządzenia grzewczego. Jeżeli wymagany jest duży udział OZE (np. 50% całości zużywanej energii), to w praktyce do wyboru są tylko dwie technologie: pompa ciepła lub kocioł na biomasę. Również rozwiązanie hybrydowe (pompa ciepła z kotłem gazowym) pozwoli osiągnąć od 30% do 60% ciepła z OZE na cele c.o. i c.w.u. O wysokości udziału energii z OZE będzie w tym przypadku decydować wybrany sposób pracy urządzenia, moc pompy ciepła, temperatura zasilania i temperatura biwalencyjna. Aby dokładniej pokazać ilość ciepła z OZE przekazywaną przez rozwiązania hybrydowe, warto posłużyć się uporządkowanym wykresem temperatury zewnętrznej (rys. 6). Zgodnie ze schematem (rys. 6), jeżeli pompa ciepła będzie pracować w trybie biwalencyjno- -alternatywnym, to dla temperatury biwalencyjnej -5°C jej udział w produkcji ciepła na cele c.o. będzie na poziomie około 85%. Natomiast w przypadku, gdy współczynnik SCOP będzie wynosić 3,5-4,0, energia ze źródeł odnawialnych przekazywana przez pompę ciepła stanowić będzie 50-60% całego ciepła na c.o. W przypadku starszych budynków o powierzchni ogrzewanej około 200 m2, projektowe zapotrzebowanie ciepła nie przekracza 12-16 kW (dla -20°C). Wymagana moc pomp ciepła dla temperatury biwalencyjnej 0°C wyniesie 6-8 kW, a dla temperatury biwalencyjnej -5°C – 7-10 kW.
Tak stosunkowo niewielka moc ma istotne znaczenie dla kosztów produkcji tego typu urządzeń. Oznacza, że wielkość wymiennika ciepła (parownika) jednostki zewnętrznej nie musi być tak duża jak w urządzeniach pracujących do temperatury -20 czy -25°C. Zastosowanie sprężarek o zmiennej wydajności mocy powoduje z kolei, że nie ma potrzeby stosowania dużego bufora ciepła. Wymagane jest zastosowanie sprzęgła hydraulicznego (przy większej liczbie obiegów) lub małego bufora wody grzewczej (ok. 40 l pojemności). Modulowane sprężarki, nowe i lepsze metody szybkiego rozmrażania parownika, elektroniczne zawory rozprężne, bardziej efektywne wentylatory pozwalają na osiągnięcie sporych oszczędności w stosunku do kotła na gaz ziemny czy propan. Należy mieć nadzieję że w najbliższych latach opisana w zarysie technologia hybrydowa rozwinie się na taką skalę, że będzie dostępna masowo także w Polsce. Widoczny znaczący postęp technologiczny w pompach ciepła i wymogi europejskiej polityki klimatycznej zdają się potwierdzać możliwość spełnienia się takiego scenariusza już w najbliższych latach.
Autor: Paweł Lachman