Zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła – od czego zależy?
Zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła zależne jest od zapotrzebowania cieplnego budynku. Podobnie, jak budynki do ogrzewania pochłaniają różne ilości opału (węgla, pelletu), czy paliwa gazowego, oleju, tak samo pompa ciepła w każdym budynku może zużyć inną ilość energii elektrycznej. Oprócz zapotrzebowania cieplnego budynku ważnym aspektem jest to, z jaką wartością SCOP, czyli z jaką efektywnością, pracuje dana pompa ciepła.

SCOP oznacza nic innego jak sezonowe COP, czyli średnią sezonową efektywność pompy ciepła. SCOP uwzględnia zmienne parametry górnego i dolnego źródła w ciągu całego roku.

Im wyższa wartość SCOP tym pompa ciepła pobierze mniej energii elektrycznej do wygenerowania danej ilości ciepła. Współczynniki SCOP i COP zależne są wprost od temperatur dolnego i górnego źródła. Temperatura dolnego źródła warunkowana jest wybranym rozwiązaniem i inwestor w czasie użytkowania urządzenia nie ma wpływu na jej wysokość. Dla pomp ciepła gruntowych waha się ona zazwyczaj w granicach 0–10°C, a dla pomp ciepła powietrznych waha się zazwyczaj w granicach -5 do +20°C, ale potrafi sięgać od -20 do +38°C. Zatem pod kątem dolnego źródła lepsze SCOP będzie miała pompa ciepła gruntowa od powietrznej, czyli zużyje ona mniej energii do wygenerowania takiej samej ilości ciepła.

Z drugiej strony wpływ na SCOP, a tym samym na zużycie energii, ma temperatura górnego źródła, czyli systemu grzewczego – tutaj korzystniej wypada pompa ciepła współpracująca z ogrzewaniem niskotemperaturowym. Dlatego inwestorzy w nowych obiektach decydujący się na pompę ciepła wybierają ogrzewanie podłogowe. W przypadku domów modernizowanych można pracować z grzejnikami zasilanymi 50°C i tracić na SCOP, albo zdecydować się na wymianę grzejników na takie o większej powierzchni wymiany ciepła (3 płytowe grzejniki o większym rozmiarze), ewentualnie zmienić ogrzewanie na podłogowe, co wiąże się z większym remontem. Podsumowując – inwestor może wpływać na zużycie energii swojej pompy ciepła pod następującymi względami:

• zmniejszając zapotrzebowanie cieplne budynku przez polepszanie jego izolacji cieplnej. Izolując dach, ściany zewnętrzne, wymieniając stolarkę drzwiową i okienną, instalując wentylację z odzyskiem ciepła.
• wybierając rozwiązania, gdzie temperatura dolnego źródła jest jak najwyższa – pompy ciepła gruntowe. Choć zaznaczmy, że powietrzna pompa ciepła będzie miała jedynie nieco większe zużycie, nie będą to diametralne różnice w zużyciu energii dla budynków o niskim zapotrzebowaniu cieplnym.
• wybierając system grzewczy niskotemperaturowy (podłogowy), lub modernizując wysokotemperaturową instalację grzejnikową do niższych temperatur.

Zużycie energii elektrycznej pompy ciepła typu powietrze-woda – dane rzeczywiste dobowe z 3 różnych budynków o różnym zapotrzebowaniu cieplnym i różnych systemach górnego źródła ciepła
Dane rzeczywistego zużycia energii pochodzą z trzech różnych budynków (Tabela 1). Dane pochodzą ze stycznia 2023 i okresu, w którym temperatury zewnętrzne oscylowały w granicach od -3°C do +1°C. Budynki te mają różne zapotrzebowanie cieplne – budynki nr 1 i 2 mają gorszy standard izolacji, budynek nr 3 to nowopowstały obiekt, o bardzo dobrym standardzie cieplnym (izolacja ścian zewnętrznych 20 cm, izolacja poddasza 33 cm, instalacja rekuperacji, izolacja podłogi od gruntu 20 cm).

Budynki różnią się też systemem ogrzewania. Budynek nr 3 posiada ogrzewanie niskotemperaturowe podłogowe, budynek nr 1 posiada ogrzewanie grzejnikowe na wyższych wymaganych parametrach zasilania. Natomiast budynek nr 2 przeszedł modernizację systemu grzejnikowego na taki, który jest dostosowany do niższych temperatur zasilania. Budynek nr 3 posiada największą powierzchnię, są w nim utrzymywane najwyższe temperatury w pomieszczeniach i ma najwięcej mieszkańców.

Analizując wykres zużycia energii w tych trzech budynkach: największe zużycie, to jest około 50 kWh/dobę, odnotowano w budynku nr 1. Wynika to z najniższego standardu izolacji i najwyższych wymaganych parametrów zasilania grzejników, a przez to niższego SCOP pracy pompy ciepła. W budynku nr 2 notowano już nieco niższe zużycia dobowe, bo około 28kWh/ dobę, dzięki lepszemu standardowi izolacji i niższym parametrom zasilania grzejników względem budynku nr 1. Budynek nr 3 może cieszyć się najmniejszym zużyciem, mimo, że temperatury wewnątrz pomieszczeń, powierzchnia oraz ilość domowników jest tam największa – zużycie jest na poziomie około 21 kWh/dobę. Najlepszy wynik budynek ten zawdzięcza wysokiemu standardowi izolacji, przez to niskiemu zapotrzebowaniu cieplnemu, a z drugiej strony też dzięki podłogowemu niskotemperaturowemu systemowi ogrzewania, który zapewnia możliwie najwyższe SCOP pracy pompy ciepła. Rocznie budynek nr 1 zużyje około 3500 kWh, budynek nr 2 około 5000 kWh, natomiast budynek nr 3 około 8000 kWh. Zatem, jak widać, zużycie energii pompy ciepła, w tym przypadku typu powietrze-woda, a tak naprawdę każdej, zależy od zapotrzebowania cieplnego budynku oraz parametrów systemu ogrzewania (temperatur górnego źródła). W standardowych domach jednorodzinnych mieści się ono zazwyczaj w granicach 3000–10000 kWh w ciągu całego roku.

Zużycie energii elektrycznej pompy ciepła typu powietrze-woda – dane rzeczywiste w skali roku z budynku ogrzewanego pompą ciepła powietrze-woda
Poddany takiej analizie był budynek nr 3, który jest domem jednorodzinnym oddanym do użytkowania w roku 2023. Dane budynku:

• Powierzchnia ogrzewana: 180 m² , dodatkowo garaż w bryle domu,
• Temperatura pomieszczeń użytkowych: 22–23°C, garażu: 8–15°C,
• Wysoki standard izolacji (izolacja ścian zewnętrznych: 20cm, izolacja poddasza: 33 cm, rekuperacja, izolacja podłogi od gruntu: 20 cm),
• 3 domowników, zużycie około 150 l wody użytkowej na dobę,
• Ogrzewanie podłogowe o parametrach zasilania: 28–32°C,
• Projektowe obciążenie cieplne: 6,5 kW.

Na Wykresie 2 przedstawione zostały rzeczywiste dane zużycia energii elektrycznej w budynku w ujęciu dobowym.

Łączne zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła w analizowanym sezonie grzewczym wyniosło niecałe 3400kWh. Największe dobowe zużycie prądu przez pompę ciepła wyniosło 45 kWh, wtedy notowane były temperatury zewnętrzne -18°C. Średnio w okresie zimowym pompa ciepła pobierała około 13–20 kWh, natomiast w czasie lata, gdy była ogrzewana tylko woda użytkowa, było to 2–3 kWh (dane na Wykresie 2).

Często inwestorzy zastanawiają się ile energii zużywa grzałka wspomagająca w pompie ciepła. Kolejny przygotowany wykres (Wykres 3), przedstawia miesięczne zużycia energii w analizowanym budynku z podziałem na energię zużywaną przez pompę ciepła (układ sprężarkowy) i przez grzałkę wspomagającą zabudowaną w jednostce.

Jak widać energia pobierana przez grzałkę elektryczną wspomagającą jest nieduża, jedynie niecałe 40kWh energii elektrycznej w skali roku. W budynkach standardowo grzałka zabudowana w pompie ciepła pobiera około 50–300 kWh rocznie – dokładna wartość zależy od doboru jednostki i warunków zewnętrznych. Największe miesięczne zużycie energii odnotowano w grudniu, który w sezonie 2022/2023 był najzimniejszym miesiącem w lokalizacji, gdzie znajduje się analizowany budynek. Zużycie to wyniosło 743 kWh. Na Wykresie 4 przedstawiono szczegółowe zużycia dobowe dla tego najzimniejszego miesiąca. Pozostałe miesiące zimowe to zużycie około 400–500 kWh/miesiąc. W okresie letnim, na potrzeby ogrzewania wody użytkowej, dla trzech domowników urządzenie zużyło około 70 kWh miesięcznie. Na Wykresie 5 przedstawiono dobowo zużycia energii dla miesiąca letniego.

Zakładając cenę prądu zbliżoną do 1 zł/kWh, to koszt roczny ogrzewania tego domu wyniósłby ok. 3400 zł. Niskie zużycie energii zapewnia tu wysoki standard cieplny budynku, a przez to niskie zapotrzebowanie na energię do ogrzewania oraz praca pompy ciepła z wysokim współczynnikiem sezonowej efektywności SCOP, którą zapewnia ogrzewanie niskotemperaturowe. Jeżeli pompa ciepła jest połączona dodatkowo w budynku z systemem fotowoltaicznym, to koszty użytkowania mogą się jeszcze obniżyć, gdyż pompa ciepła to jedyne energooszczędne źródło ciepła do którego użytkownik może wyprodukować energię elektryczną z własnej instalacji fotowoltaicznej.

Rzeczywiste dobowe COP pompy ciepła
COP to efektywność pompy ciepła. Im większy jest ten współczynnik tym lepiej. COP to stosunek wygenerowanej energii cieplnej do pobranej elektrycznej. Analizując dla budynku 3 przykładowe dni z sezonu zimowego 2023/2024, weryfikując wartości wygenerowanej energii cieplnej i pobranej energii elektrycznej, przedstawia się to jak pokazano w Tabeli 2.

COP pracy pompy ciepła w budynku nr 3 waha się w granicach: 2,4–5,6 przy pracy na cele centralnego ogrzewania, a dla ogrzewania wody użytkowej wynosi 2–4. Wyższe COP pracy pompy ciepła na cele ogrzewania wynika z niskich temperatur pracy pompy ciepła – współpracy z ogrzewaniem podłogowym o temperaturach zasilania 28–33°C. To gwarantuje niskie zużycie energii i niskie rachunki dla użytkowników. Analizując dane można oczywiście również zauważyć zależność pomiędzy COP pompy ciepła, a panującymi temperaturami zewnętrznymi. Im niższe są temperatury powietrza tym niższe COP pompa ciepła uzyskuje. Jednak skrajnie niskie temperatury zewnętrzne w naszym klimacie nie występują zbyt często. Większość zimy temperatura utrzymuje się na poziomie -5 do +7°C.

Przy ogrzewaniu wody użytkowej COP pompy ciepła jest nieco niższe ze względu na wyższe temperatury pracy pompy ciepła. Jeżeli zadana w zbiorniku wody użytkowej wynosi przykładowo 48°C, to pompa ciepła musi pracować z parametrami na wyjściu około 55–60°C, aby oddać odpowiednio ciepło przez wężownicę i uzyskać w zbiorniku zadaną temperaturę, stąd też realizacja ogrzewania wody użytkowej ma niższe COP.

Porównanie miesięcy z sezonu grzewczego 2022/2023 i 2023/2024
Zużycie energii w każdym sezonie grzewczym może się nieco różnić, gdyż w każdym roku panują nieco inne temperatury zewnętrzne. Na Wykresie 6 przedstawiono zużycie energii elektrycznej dla budynku nr 3 w dwóch następujących po sobie sezonach grzewczych.

Zużycie energii w wybranych miesiącach danego sezonu grzewczego przedstawiono w Tabeli 3. Opierając się na danych z dwóch sezonów grzewczych, wartości zużycia w najzimniejszych miesiącach sięgają 700–800 kWh/miesiąc, natomiast w miesiącach przejściowych około 400 kWh/miesiąc.

Dane zużycia energii elektrycznej z budynku ogrzewanego gruntową pompą ciepła w porównaniu do budynku ogrzewanego pompą powietrzną
Dla pełnego obrazu sytuacji zestawiono rzeczywiste zużycia energii elektrycznej pompy ciepła typu powietrze-woda zainstalowanej w budynku nr 3, z rzeczywistymi zużyciami pompy ciepła gruntowej w budynku nr 4.

Budynek nr 4 ma nieco mniejszą powierzchnie ogrzewaną i kubaturę, ale również wyposażony jest w ogrzewanie podłogowe. Podstawowe dane budynków nr 3 i 4 zestawiono w Tabeli 4.

Na Wykresie 7 zestawiono miesięczne zużycia energii elektrycznej dla budynku nr 3, ogrzewanego powietrzną pompą ciepła i budynku nr 4, ogrzewanego gruntową pompą ciepła. W związku z tym, że budynek nr 4 jest nieco mniejszy, to na wykresie dodano dodatkowe wartości dla tego budynku po dokonaniu korekty 15% (zwiększającej o 15% odnotowane rzeczywiście zużycia), tak, by bardziej realne było zestawienie zużycia energii elektrycznej dla tych budynków.

Analizując Wykres 7 widać, że największe zyski z posiadania gruntowej pompy ciepła uwidaczniają się w najzimniejszych miesiącach – tam różnice między zużyciem energii elektrycznej pompy ciepła gruntowej i powietrznej są największe. Przykładowo analizując styczeń, który był najzimniejszym miesiącem w analizowanym okresie, zużycie prądu dla powietrznej pompy ciepła wynosiło 779 kWh, natomiast dla gruntowej (po korekcie): 522 kWh. Dla miesięcy z pośrednimi temperaturami, takimi jak wrzesień, październik, marzec, kwiecień, maj, zużycia te dla obydwu rodzajów pomp ciepła są bardzo porównywalne.

Zużycie energii elektrycznej w okresie od lutego 2023 do stycznia 2024 (czyli dla pełnego roku) dla pompy ciepła gruntowej w budynku nr 4 wyniosło 2633kWh (po korekcie 15% 3028 kWh). Natomiast zużycie dla pompy ciepła powietrznej w budynku nr 3 wynosiło w analizowanym okresie rocznym 3629 kWh. Dane te zestawiono na Wykresie 8.

Jak widać dzięki wyższemu SCOP pomp ciepła gruntowych ogrzewanie tego rodzaju urządzeniem gwarantuje zużywanie najmniejszej ilości prądu do zasilenia pompy ciepła. Jednak ze względu na łatwość montażu i niższe koszty zakupu pompy ciepła typu powietrze-woda cieszą się większą popularnością, a jak pokazuje Wykres 8 ich zużycie energii elektrycznej również nie jest duże.

Źródła:
[1] Pomiary własne autora, dokonane przy użyciu oprogramowania Zamel i innych liczników energii elektrycznej pobranej i ciepła wygenerowanego.
[2] www.galmet.com.pl