Podgrzewacze wody z pompą ciepła

W większości istniejących budynków zużycie ciepła na potrzeby ogrzewania zostało już zmniejszone w wyniku termorenowacji przegród budowlanych i poprawy szczelności budynków, podczas gdy zużycie ciepła do przygotowania c.w.u. pozostaje praktycznie bez zmiany. Wynika z tego, że systemy przygotowania ciepłej wody stanowią obecnie potencjalne źródło oszczędności energii i pole do wprowadzenia nowych energooszczędnych technologii, a wśród nich pomp ciepła.

Autorzy artykułu: Marian Rubik, Jacek Hendiger, Piotr Ziętek*

* dr inż. Marian Rubik, dr inż. Jacek Hendiger, dr inż. Piotr Ziętek, Politechnika Warszawska

W sektorze budownictwa mieszkaniowego w Polsce, podobnie jak w Unii Europejskiej, zużywa się ok. 40% całkowitej ilości wytworzonej energii, z czego ponad 70% na potrzeby ogrzewania i ok. 15% do przygotowania ciepłej wody użytkowej [2]. Dlatego też obniżanie zużycia energii w tym sektorze ma największy potencjał, szczególnie w obliczu zobowiązań poszczególnych krajów członkowskich UE, które wynikają z pakietu klimatyczno-energetycznego „3×20” oraz jego modyfikacji (rys. 1). W modyfikacji tej przewidziano dalszą redukcję emisji gazów cieplarnianych o min. 40%, wzrost udziału energii ze źródeł odnawialnych o min. 27% oraz redukcję zużycia energii o min. 27%, w stosunku do roku 2020 [10].
Z przytoczonych danych wynika, że największym konsumentem energii są gospodarstwa domowe (rok 2007: 32%, rok 2012: 30,4%) – rys. 2.

W Polsce (rys. 3) do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania c.w.u. najczęściej wykorzystywane są paliwa stałe (48,7%), ciepło sieciowe – systemowe (41,5%), a udział gazu ziemnego wynosi ok. 9,8% (GUS – 2014).
Z dążeniem do osiągnięcia celów pakietu klimatyczno-energetycznego związane są bezpośrednio problemy ograniczenia zanieczyszczeń atmosfery w UE.

Ochrona powietrza przed zanieczyszczeniami stanowi główny element europejskiej polityki ochrony środowiska. Znajduje to potwierdzenie m.in. w zapisach Dyrektywy CAFE [5], która w szczególności nakłada obowiązek opracowania planów ochrony powietrza na obszarach, w których stężenie zanieczyszczeń w powietrzu przekracza wartości normatywne. Problematyka zanieczyszczenia powietrza jest również przedmiotem zainteresowania instytucji międzynarodowych. Według raportu WHO, którego wyniki wykorzystano w 2013 r. do aktualizacji polityki Unii Europejskiej w zakresie jakości powietrza, zanieczyszczenie powietrza znacząco wpływa na stan zdrowia ludności. W raporcie tym wskazano, że niekorzystny wpływ cząsteczek pyłu zawieszonego na zdrowie człowieka jest szczególnie dobrze udokumentowany, a ponad 80% ludności Europy zamieszkującej obszary zurbanizowane żyje na terenach, na których zanieczyszczenie powietrza tą substancją przekracza poziom zalecany przez WHO.

W raporcie Europejskiej Agencji Środowiska z 2013 r. [6] wskazano m.in., że jakość powietrza w dalszym ciągu stanowi bardzo ważne zagadnienie w sferze zdrowia publicznego, gospodarki i środowiska. W ostatnich kilkudziesięciu latach udało się wprawdzie w Europie znacząco obniżyć emisję i poziom narażenia na działanie takich zanieczyszczeń powietrza, jak: dwutlenek siarki, tlenek węgla, benzen i ołów, ale cząstki pyłu zawieszonego, ozon, reaktywne substancje azotowe i niektóre związki organiczne stanowią nadal poważne zagrożenie.

Skutki złej jakości powietrza odczuwane są najsilniej w dwóch obszarach: na terenach zurbanizowanych oraz w ekosystemach, w których wpływ zanieczyszczeń powietrza osłabia wzrost roślinności i szkodzi różnorodności biologicznej. Zanieczyszczenia powietrza powodują pogorszenie stanu zdrowia i prowadzą do przedwczesnych zgonów – szacuje się, że z powodu złej jakości powietrza przeciętna długość życia mieszkańca Europy ulega skróceniu o prawie 9 miesięcy [23].
Jako istotne źródło bezpośredniej emisji do powietrza, m.in. pyłu zawieszonego oraz przewlekle toksycznego, rakotwórczego benzo(a)pirenu wskazuje się spalanie w gospodarstwach domowych paliw stałych, takich jak węgiel i drewno, jak również śmieci, w tym odpady plastikowe. W Europie najbardziej szkodliwy wpływ na zdrowie ludzkie wywiera obecnie zanieczyszczenie powietrza pyłem zawieszonym (PM 2,5 i PM10) oraz ozonem.

W Unii Europejskiej koszty chorób spowodowanych zanieczyszczeniami powietrza wynoszą wg dostępnych szacunków około 940 mld euro rocznie. Natomiast w Polsce szacuje się, że w samej tylko Warszawie całkowite koszty zdrowotne zanieczyszczeń powietrza wynoszą od 6 mld do 18 mld zł rocznie [20]. Jednak, pomimo opracowania i przyjęcia programów ochrony powietrza i likwidacji niskiej emisji, w dalszym ciągu utrzymuje się na obszarze kraju wysoki poziom niebezpiecznych zanieczyszczeń w powietrzu. Wpływa to przede wszystkim na zdrowie, a tym samym jakość życia Polaków. Obecnie w społeczeństwie polskim rośnie społeczna świadomość zagrożeń i skutków, jakie związane są z długotrwałym przebywaniem w miastach, gdzie występuje problem niskiej emisji. W wyniku długotrwałych badań stwierdzono, że powietrze zanieczyszczone pyłem zawieszonym (PM10 i PM2,5) oraz wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi (WWA) powoduje choroby układu oddechowego oraz nowotwory, co w skrajnych przypadkach jest przyczyną zgonu [23].

Pompy ciepła w systemach przygotowania ciepłej wody

Pompy ciepła są urządzeniami, które umożliwiają wykorzystanie do celów grzewczych nieograniczonych zasobów ciepła niskotemperaturowego ze źródeł odnawialnych, takich jak powietrze zewnętrzne, grunt, wody powierzchniowe oraz niskotemperaturowe ciepła odpadowego jak ciepło odprowadzane z powietrzem wentylacyjnym, spalinami, czy ściekami. Transformacja ciepła z niższego na wyższy poziom temperatury zachodzi w instalacji złożonej z zespołu wymienników ciepła, elementów rozprężnych i sprężarki, najczęściej napędzanej silnikiem elektrycznym. W instalacji tej krąży czynnik roboczy (naturalny lub syntetyczny), który poddawany jest ciągowi przemian: wrzenia w parowaczu w warunkach niskiej temperatury (pobieranie ciepła z dolnego źródła), sprężania powstającej pary do ciśnienia (temperatury) umożliwiającego wykorzystania ciepła przegrzania i skraplania pary czynnika roboczego do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody. W zależności od rodzaju źródła ciepła niskotemperaturowego rozróżnia się powietrzne, gruntowe lub wodne pompy ciepła.
Sprężarkowa pompa ciepła stanowi obecnie dojrzały technicznie, oszczędny i przyszłościowy system ogrzewania i przygotowania ciepłej wody, który jest jednocześnie szczególnie przyjazny środowisku i zapewnia wysoki komfort i bezpieczeństwo użytkowania.
Efektywność energetyczną pomp ciepła określa współczynnik wydajności grzejnej COP zdefiniowany jako stosunek ilości uzyskanego ciepła użytecznego do ilości zużytej energii napędowej (energii elektrycznej).

Sprężarkowe pompy do przygotowania c.w.u. od 24 września 2015 r. są zaliczane do odpowiednich klas energetycznych, które zależą od wartości współczynnika efektywności energetycznej i profilu poboru ciepłej wody. W tabeli 1 podano klasyfikację pomp ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej w zależności od profilu jej poboru i minimalnej wartości współczynnika COP (pompy ciepła systemu A20/W10-55). Różnice między poszczególnymi klasami energetycznymi są duże, np. pompa ciepła klasy A+ w najgorszym przypadku jest prawie dwukrotnie bardziej efektywna, niż pompa klasy A. Ponadto przy wybranym profilu poboru c.w.u. musi być spełniony warunek minimalnej ilości pobieranej ciepłej wody.

Wskaźnik efektywności energetycznej COP (tab. 1) jest wyznaczany zgodnie z przyjętym w Dyrektywie 2009/28/WE i obowiązującym w całej UE współczynnikiem zapotrzebowania (nakładu) na energię pierwotną wynoszącym 2,5 w odniesieniu do energii elektrycznej. Odpowiada to współczynnikowi sprawności wytwarzania energii elektrycznej 40%.

Podstawą do zakwalifikowania urządzenia grzewczego do określonej klasy energetycznej jest obliczona wartość jego sezonowego współczynnika efektywności, zdefiniowanego jako stosunek wytworzonego ciepła do zużytej energii pierwotnej. Wartość współczynnika nakładu energii pierwotnej w ramach tego rozporządzenia została zmodyfikowana w taki sposób, że nie obejmuje ona zużytej energii związanej z transportem paliwa. Przyjęto, że średni europejski współczynnik nakładu energii pierwotnej w przypadku energii elektrycznej wynosi 2,5 (nie uwzględniono strat przesyłowych energii elektrycznej, które wynoszą około 7%), a dla gazu ziemnego lub olejowego wynosi on 1,0 (a nie 1,1, czyli również bez strat przesyłowych). Podział klas energetycznych urządzeń grzewczych wg rozporządzenia jako aktu delegowanego do dyrektywy 2010/30/WE, w zakresie projektu Lot1, pokazano na rys. 4.
Wprowadzenie tak ostrych wymagań oznacza zwiększenie znaczenia gazowych i olejowych kotłów kondensacyjnych na rynku urządzeń grzewczych. Od 2015 r. Komisja Europejska narzuca wysokie wymogi dotyczące, min. efektywności pomp ciepła typu powietrze/woda lub głośności urządzeń. Spowoduje to zapewne kolejne zmiany w konstrukcjach wielu pomp ciepła, korzystających z ciepła zgromadzonego w powietrzu. Kolejna zmiana to wzrost sprzedaży urządzeń wysokoefektywnej kogeneracji (produkcji ciepła i energii elektrycznej).
W aktualnym rozporządzeniu Komisji Europejskiej, dotyczącym realizacji dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla urządzeń grzewczych (LOT1), pompy ciepła znajdują się w najwyższych klasach energetycznych A+++, A++, A+ – rys. 4.
Najwyższe klasy energetyczne: A++ i A+++ będą osiągać tylko sprężarkowe pompy ciepła, zasilane energią elektryczną. W przypadku kotłów gazowych, bez funkcji kogeneracji (np. z silnikami Stirlinga) nie będzie możliwe osiągniecie wyższej klasy niż A oraz współczynnika efektywności ηs większego niż 93%.

Wymagania w odniesieniu do sezonowej efektywności energetycznej urządzeń w zależności od klasy energetycznej zestawiono w tab. 2. Jak już wspomniano wyżej podstawą przyznania klasy energetycznej jest sezonowy współczynnik efektywności odniesiony do zużycia energii pierwotnej przez urządzenie. Kotły gazowe (kondensacyjne) będą mogły osiągać sezonowy współczynnik efektywności, którego wartość znajduje się w zakresie 89÷92%, w odniesieniu do zużycia energii pierwotnej związanej ze zużyciem gazu oraz energii elektrycznej. W takim przypadku, będą one oznaczane klasą energetyczną A.

Różnice między poszczególnymi klasami energetycznymi wynoszą od kilku do ponad dwudziestu procent (np. w klasie A wynosi ona 8% sezonowego współczynnika, a w klasie A++ do 25% – patrz tab. 2). Oznacza to, że przyszłemu użytkownikowi kotła bardzo trudno będzie porównać efektywność produktów, szczególnie w wyższych klasach energetycznych, bez podania dodatkowo współczynnika efektywności. Wprowadzenia obowiązku stosowania klas energetycznych urządzeń grzewczych centralnego ogrzewania i dodatkowych wymagań związanych z ecodesign i oznakowaniem CE, zmieni w szybkim czasie rynek urządzeń grzewczych w Europie. Bez tych regulacji zmiany na rynku zachodziłyby zbyt wolno, czego przykładem są rynki urządzeń grzewczych w większości krajów europejskich. Wprowadzenie nowych przepisów związanych z wymogami ecodesign oznacza istotne zwiększenie znaczenia przede wszystkim elektrycznych i gazowych pomp ciepła.

Szacuje się, że liczba istniejących i użytkowanych urządzeń grzewczych, które nie spełniałyby nowych wymogów ecodesign, jakie obowiązują w Europie w 2015 roku, przekracza obecnie 95%, a w przypadku urządzeń będących obecnie w sprzedaży udział ten nadal przekracza 50%. Wprowadzenie wymogów ecodesign (oznakowania CE) urządzeń grzewczych spowoduje, a w zasadzie już w dużym stopniu spowodowało, istotne zmiany w zakresie technologii grzewczej. W zakresie każdej grupy produktów Komisja Europejska sformułowała ostre wymogi, narzucając w konsekwencji spore zmiany konstrukcyjne urządzeń.
Przykład etykiety energetycznej sprężarkowej pompy ciepła pokazano na rys. 5.

Bezpośrednim skutkiem Rozporządzenia 2009/125/WE będzie wycofanie z rynku urządzeń grzewczych niespełniających ostrych wymagań w odniesieniu do sprawności energetycznej. Najprawdopodobniej powstałą lukę wypełnią pompy ciepła.
W zasadzie wszystkie pompy ciepła do przygotowania c.w.u., oferowane w UE, mają klasę energetyczną A. Jednak niekiedy potencjalny nabywca urządzenia do podgrzewania wody może być wprowadzony w błąd klasą A, zwłaszcza, że elektryczny podgrzewacz zasobnikowy, ok. 3-krotnie mniej efektywny energetycznie, w niektórych profilach poboru ciepłej wody również może mieć klasę A (małe zasobnikowe podgrzewacze elektryczne) [13].

Społeczne aspekty stosowania podgrzewaczy wody z pompą ciepła

Polska należy do grupy państw UE, w których udział wydatków gospodarstw domowych na mieszkanie (czynsz, woda, energia) należy do najwyższych i stanowi ok. 27% ogólnych wydatków mimo, że pod względem powierzchni mieszkalnej przypadającej na 1 osobę i wielkości mieszkań kraj nasz plasuje się poza 20 miejscem (rys. 6). Ta pozycja jest wynikiem nie tylko wysokich kosztów ogrzewania i przygotowania ciepłej wody, ale również niskich dochodów ludności. Jedną z możliwości poprawienia tego stanu jest zastosowanie nowych technologii wytwarzania ciepła, a więc i pomp ciepła do przygotowania ciepłej wody. Urządzenia te mogłyby zastąpić dotychczas eksploatowane podgrzewacze gazowe i elektryczne oraz kotły opalane paliwami stałymi.

Wysokie wydatki ludności na energię są przyczyną poszukiwań różnych sposobów ich zmniejszenia. Jedną ze stosowanych praktyk jest ograniczanie intensywności wentylacji mieszkań, co sprowadza się niekiedy do zaklejania kratek wentylacyjnych, zlokalizowanych głównie w kuchniach i łazienkach. W pomieszczeniach z zainstalowanymi przyborami gazowymi skutkuje to tzw. deficytem tlenu, co nie tylko utrudnia proces właściwego spalania gazu, ale pogarsza jakość powietrza. Niewłaściwa wentylacja, spowodowana między innymi uszczelnieniem budynków, stała się podstawą terminu SBS (Sick Building Syndrome – syndrom chorego budynku). Określa on zespół czynników negatywnie wpływających na samopoczucie i zdrowie ludzi przebywających w budynkach zarówno mieszkalnych, jak i biurowych. Jednym z objawów tego syndromu jest rozwój pleśni i innych grzybów na ścianach, co spowodowane jest nadmierną wilgotnością powietrza w pomieszczeniach.

Niewątpliwą korzyścią, wynikającą z zastąpienia konwencjonalnych, a w tym i gazowych podgrzewaczy wody, szczególnie z otwartą komorą spalania, jest całkowite wyeliminowanie zagrożenia zatrucia tlenkiem węgla i innymi produktami spalania.

Podsumowując, bezsporną, choć niewymierną korzyścią społeczną zastosowania podgrzewaczy wody z pompą ciepła systemu powietrze-woda będzie poprawa stanu zdrowia użytkowników mieszkań w wyniku zwiększenia skuteczności działania wentylacji i poprawy jakości powietrza wewnętrznego, a w rezultacie likwidacja SBS. Ważnym aspektem będzie również wyeliminowanie zagrożenia zatrucia tlenkiem węgla w przypadku zastąpienia pompą ciepła podgrzewaczy c.w.u. z otwartą komorą spalania.

Ekologiczne aspekty stosowania podgrzewaczy wody z pompą ciepła

Bezpośrednim skutkiem ekologicznym zastąpienia konwencjonalnych, gazowych, elektrycznych lub zasilanych paliwami stałymi podgrzewaczy wody, podgrzewaczami ze sprężarkową pompą ciepła, będzie zmniejszenie zużycia paliw pierwotnych, a zatem ograniczenie emisji do otoczenia gazowych produktów spalania nieodnawialnych paliw pierwotnych (gazu ziemnego, węgla) w wyniku likwidacji źródeł, tzw. niskiej emisji (kanały spalinowe i kominy o wysokości < 40 m). W przypadku elektrycznych podgrzewaczy wody emisja produktów spalania węgla w źródle prądu (elektrowni cieplnej) zostanie ograniczona dzięki lepszemu wykorzystanie nośnika energii (COP > 3,0), a uciążliwość pozostałej emisji jest zmniejszona dzięki zastosowaniu urządzeń do oczyszczania spalin oraz wysokim kominom.
Aby ocenić wymierne skutki ekologiczne, należy przyjąć modelową instalację z określonym profilem rozbioru wody, dobrać urządzenia do podgrzewania wody i oszacować skutki ich eksploatacji w stosunku do otoczenia.

Na podstawie tabeli 2 przyjmuje się instalację przygotowania c.w.u. o następującej charakterystyce:
– profil rozbioru wody: L
– zużycie ciepła: Q = 12 kWh/24h (4254 kWh/a)
– orientacyjne zużycie ciepłej wody (zmieszanej) o temperaturze 40^oC: 334 dm³/24h
– liczba użytkowników: 4 osoby,
– powierzchnia użytkowa mieszkania: 60 m²,
– krotność wymiany powietrza: 1 h^-1,
– ilość usuwanego powietrza wentylacyjnego: ok. 200 m³/h.

Zużycie nośników energii wyniesie odpowiednio:

• elektryczny przepływowy podgrzewacz wody
Ee = 4254 kWh/a

• sprężarkowa pompa ciepła klasy A++ (SCOP = 3,75 – wg tab. 1)
Epc = Q/SCOP = 4254/3,75 = 1134,4 kWh/a

• gazowy przepływowy podgrzewacz wody
(Wu = 9,7 kWh/m³; η = 0,6) [14]
V = Q/(Wu∙ η) = 4254/(9,7∙0,6) = 731 m³/a

Emisja dwutlenku węgla związana z podgrzewaniem wody wyniesie:

• elektryczny przepływowy podgrzewacz wody
ECO₂ = 4254∙0,812 = 3454 kg/a

• sprężarkowa pompa ciepła
ECO₂ = 4254∙0,812/3,75 = 921,1 kg/a

• gazowy przepływowy podgrzewacz wody
ECO₂ = 4254∙0,390 = 1659 kg/a.

Porównując emisję dwutlenku węgla przez podgrzewacze wody, można stwierdzić, że najniższą emisją tego gazu charakteryzuje się podgrzewacz wody ze sprężarkową pompą ciepła wykorzystującą jako dolne źródło ciepła zużyte powietrze wentylacyjne.

Ekonomiczne aspekty stosowania podgrzewaczy wody z pompą ciepła

Aspekty ekonomiczne stosowania różnych podgrzewaczy wody można wykazać poprzez porównanie kosztów zużywanych nośników energii, z pominięciem kosztów obsługi serwisowej, które mogą być skompensowane przez koszty czyszczenia kanałów spalinowych.
Koszt zużywanej energii elektrycznej, w przypadku elektrycznego, przepływowego podgrzewacza wody, obliczono przyjmując, że jest ona sprzedawana przez RWE Polska SA wg grupy taryfowej G11 z upustem 4% (akcja tańsze gniazdko 800). Według tej taryfy jednostkowy koszt energii elektrycznej wynosił 0,7795 zł/kWh, a roczny koszt podgrzewania wody KE = 3315,95 zł/a.
Z kolei koszt energii elektrycznej, zużywanej przez podgrzewacz wody ze sprężarkową pompą KPC obliczono wg zależności KPC = KE/SCOP = 3315,95/3,75 = 884,2 zł/a.
Koszty zużywanego gazu ziemnego w gazowym przepływowym podgrzewaczu wody obliczono przyjmując, że gaz dostarczany jest przez PGNiG Obrót Detaliczny Sp. z o.o. Region Mazowiecki wg grupy taryfowej PGNiG: W-1.1, OSD: W-1.1. Roczny koszt gazu zużywanego do podgrzewania wody wynosi KG = 1698,70 zł/a.
Wykorzystane w analizie koszty energii elektrycznej i gazu zostały przyjęte na podstawie rzeczywistych faktur wystawionych przez dostawców w roku 2016.
Z powyższych obliczeń wynika, że najniższe koszty podgrzewania wody zapewnia podgrzewacz ze sprężarkową pompą ciepła. Są one o ok. 800 zł/aniższe niż koszty przygotowania wody za pomocą gazowego przepływowego podgrzewacza wody. Zdecydowanie najwyższe koszty energii charakteryzują eksploatację podgrzewacza elektrycznego, lecz koszty zakupu tego urządzenia są najmniejsze.

Konkluzja

Rozpowszechnienie podgrzewaczy wody ze sprężarkowymi pompami ciepła, w których dolnym źródłem jest usuwane powietrze wentylacyjne i zastąpienie nimi innych podgrzewaczy opalanych paliwami stałymi, gazowych lub elektrycznych, jest całkowicie uzasadnione względami społecznymi, ekologicznymi i ekonomicznymi.

Podgrzewacze wody z pompami ciepła to nowoczesne, bezpieczne i tanie w eksploatacji urządzenia przeznaczone do przygotowania ciepłej wody użytkowej, przede wszystkim w budownictwie mieszkaniowym. Jednocześnie wdrożenie podgrzewaczy wody z pompami ciepła, w których dolnym źródłem ciepła jest usuwane powietrze wentylacyjne, poprawi skuteczność wentylacji pomieszczeń, która eliminując syndrom chorego budynku wpłynie korzystnie na stan zdrowotny społeczeństwa. Ponadto eliminacja procesów spalania w urządzeniach do przygotowania ciepłej wody ograniczy w znacznym stopniu emisję do otoczenia produktów spalania ze źródeł, tzw. niskiej emisji. Nie bez znaczenia są również niższe koszty eksploatacyjne urządzeń z pompami ciepła niż podgrzewaczy dotychczas powszechnie stosowanych.

W podsumowaniu można stwierdzić, że bez szerszego zastosowania pomp ciepła nie będzie można spełnić wymagań pakietu klimatyczno-energetycznego 3×20, nawet w pierwotnej wersji, oraz zapisów Dyrektywy CAFE [3], która w szczególności nakłada obowiązek opracowania planów ochrony powietrza na obszarach, w których stężenie zanieczyszczeń w powietrzu przekracza wartości normatywne.

Literatura do artykułów: kliknij

1. Ogólna charakterystyka systemów przygotowania c.w.u. w Polsce
2. Podgrzewacze wody z pompą ciepła – społeczne, ekologiczne i ekonomiczne aspekty stosowania
    

Artykuł powstał w ramach projektu GEKON1/O2/213728/39/2015 „Opracowanie technologii wytwarzania kompaktowego ogrzewacza ciepłej wody użytkowej z pompą ciepła”, w ramach programu współfinansowanego przez NCBiR i NFOSiGW.