Metodyka obliczenia OZE z pomp ciepła zgodnie z najnowszymi wytycznymi UE

Dyrektywa 2009/28/WE – w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych – pozostawiła jako otwarte, ważne kwestie dotyczące pomp ciepła.
W dokumencie z 2009 r. brakowało m.in. dokładnych informacji na temat metodyki obliczania sezonowego współczynnika efektywności SPF pomp ciepła dla różnych technologii pomp ciepła. Brakowało również określenia metodyki statystyki energetycznej zużycia energii odnawialnej. Istotną kwestią była zasada obliczania energii z OZE, wtedy gdy źródło energii stanowi mieszaninę energii odpadowej i energii otoczenia. Niejednoznaczna była też kwestia korzystania z OZE przez pompy ciepła np. oparte o powietrze wyrzutowe z budynków. Wątpliwości budziło także obliczanie energii z odwracalnych (rewersyjnych) pomp ciepła typu powietrze/woda czy powietrze/powietrze.
Gorące dyskusje branżowe, po wprowadzeniu dyrektywy 2009/28/WE (OZE), wywołała też kwestia, jaka powinna być wartość minimalna współczynnika SPF dla sprężarkowych zasilanych elektrycznie pomp ciepła.
Praktycznie wszystkie te najważniejsze wątpliwości rozjaśnia właśnie ustanowiona decyzja Komisji Europejskiej z dnia 1 marca 2013 2013/114/UE (nr C(2013) 1082.

Obliczanie udziału i ilości energii z OZE dla pomp ciepła

Załącznik VII do dyrektywy 2009/28/WE (dyrektywa OZE) wprowadza podstawową metodę obliczania energii odnawialnej dostarczanej przez pompy ciepła.
Załącznik VII określa trzy parametry niezbędne do obliczania ilości energii odnawialnej pochodzącej z pomp ciepła na potrzeby wyliczania celów  w zakresie energii odnawialnej:

• sprawność produkcji energii (h lub eta);
• szacunkowe użyteczne ciepło pochodzące z pomp ciepła (Q_usable);
• „współczynnik efektywności (wydajności) sezonowej” (SPF).

Decyzja Komisji wprowadza dokładną, a zarazem pragmatyczną metodykę dla w/w parametrów.

 Użyte pojęcia i ich znaczenie

Q _usable
oznacza, wyrażone w GWh, szacunkowe całkowite użyteczne ciepło pochodzące z pomp cieplnych, obliczane jako iloczyn znamionowej wydajności grzewczej (P _rated ) i rocznej liczby równoważnych godzin pracy pomp ciepła (H _HP).

Roczna liczba równoważnych godzin pracy pomp ciepła(H _HP )
to, wyrażona w h, zakładana roczna liczba godzin,  w czasie których pompa ciepła ma dostarczać energię cieplną przy wydajności znamionowej w celu dostarczenia całkowitego ciepła użytecznego dostarczanego przez pompy ciepła.

Wydajność znamionowa(P_rated )
oznacza wydajność chłodniczą lub grzewczą cyklu sprężania par lub cyklu sorpcyjnego urządzenia w warunkach znamionowych znormalizowanych.

SPF
oznacza szacunkowy przeciętny współczynnik efektywności (wydajności) sezonowej, czyli „współczynnik efektywności  sezonowej netto w trybie aktywnym” (SCOP_net) dla pomp ciepła zasilanych energią elektryczną lub „sezonowe zużycie energii pierwotnej w trybie aktywnym netto” (SPER_net ) dla pomp ciepła zasilanych energią cieplną.

Metodyka wyznaczania sprawności produkcji energii (h)

Dane wymagane do obliczania sprawności produkcji energii są objęte rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1099/2008 z dnia 22 października 2008 r. w sprawie statystyki energii. Sprawność produkcji energii elektrycznej (h), według najnowszych danych za rok 2010, wynosi 0,455 (czyli 45,5 %).

Komisja zdecydowała, że wartość h =0,455 jest stosowana na całym obszarze UE oraz, że ma taka pozostać do 2020 r.

Wytyczne te określają więc, w jaki sposób państwa członkowskie powinny szacować dwa pozostałe parametry:
Q _usable oraz „współczynnik wydajności sezonowej” (SPF), biorąc pod uwagę różne warunki klimatyczne, w szczególności klimaty bardzo zimne. Za pomocą tych wytycznych państwa członkowskie mogą obliczyć ilość energii odnawialnej dostarczanej przez technologie pomp ciepła.

Metodyka szacowania wartości SPF i Q_usable

Opisana w decyzji Komisji metodyka opiera się na trzech głównych założeniach:

• prawidłowość pod względem technicznym;
• pragmatycznym podejściu, równoważące dokładność z opłacalnością;
• domyślne współczynniki do określania wkładu energii odnawialnej pochodzącej z pomp ciepła ustalane są na  ostrożnym poziomie, tak aby zmniejszyć ryzyko przeszacowania wkładu energii odnawialnej pochodzącej z pomp ciepła.

Zgodnie z załącznikiem VII do dyrektywy ilość energii odnawialnej dostarczanej przez technologie pomp ciepła (E_RES ) oblicza się za pomocą następującego wzoru:

E_RES = Q_usable * (1 – 1 / SPF)

przy czym;
Q_usable = H_HP * P_rated
gdzie:

• Q_usable – szacunkowe całkowite użyteczne ciepło pochodzące z pomp ciepła [GWh],
• H_HP –  równoważne godziny pracy z pełnym obciążeniem [h],
• P_rated –  wydajność zainstalowanych pomp ciepła, z uwzględnieniem całkowitego okresu eksploatacji różnych rodzajów pomp ciepła [GW],
• SPF –  szacunkowy przeciętny współczynnik wydajności sezonowej (SCOP _net lub SPER _net).

Wartości domyślne podane w tabelach 1 i 2 powyżej są typowe dla segmentu pomp ciepła o SPF powyżej minimalnej wartości progowej, co oznacza, że pompy ciepła o SPF poniżej 2,5  i SPER <1,15 nie były brane pod uwagę przy ustalaniu wartości typowych.

Decyzja Komisji zachęca państwa członkowskie do skorygowania ostrożnych wartości domyślnych poprzez dostosowanie ich do warunków krajowych/regionalnych, włącznie z opracowaniem dokładniejszej metodyki.
Takie poprawki należy zgłosić Komisji i podać do wiadomości publicznej.

Przykładowe wyliczenie statystyczne energii OZE na podstawie decyzji KE z 01.03.2013 r. 2013/114/UE

Zakładając, że moc grzewcza pompy ciepła wynosi 10,0 kW, to statystyczna ilość energii z OZE wynosić będzie odpowiednio dla:

• sprężarkowej pompy ciepła typu powietrze/woda (powietrzna – korzystająca z energii aerotermalnej)
  Ilość OZE = 10,0 x 1710 x (1-1/2,5) = 10260 kWh OZE/rok
• sprężarkowej pompy ciepła typu solanka/woda (gruntowa – korzystająca z energii geotermalnej)
  Ilość OZE = 10,0 x 2440 x (1-1/3,5) = 17643 kWh OZE/rok
• gazowej (absorpcyjnej) pompa ciepła typu solanka/woda (gruntowa – korzystająca z energii geotermalnej)
  Ilość OZE = 10,0 x 2440 x (1-1/1,6) = 9263 kWh OZE/rok

 Minimalna efektywność pomp ciepła wymagana do uznania energii za energię odnawialną na podstawie dyrektywy

Zgodnie z załącznikiem VII do dyrektywy 2009/28/WE, państwa członkowskie są zobligowane do dopilnowania, aby w statystykach uwzględniane były jedynie pompy ciepła o SPF wynoszącym powyżej 1,15 * 1 / h

• Elektryczne, sprężarkowe pompy ciepła
  Minimalna wartość SPF dla pomp ciepła zasilanych energią elektryczną (SCOP _net) musi wynosić co najmniej 2,5 (dla h=0,455) , aby energia została uznana za energię odnawialną zgodnie z dyrektywą OZE.
• Pompy ciepła gazowe (napędzane ciepłem)
  Dla pomp ciepła zasilanych energią cieplną (bezpośrednio lub poprzez spalanie paliw) sprawność produkcji energii (h) jest równa 1.
  Dla takich pomp ciepła minimalna wartość SPF (SPER _net) musi wynosić co najmniej 1,15, aby energia została uznana za odnawialną zgodnie z dyrektywą OZE.

Państwa członkowskie powinny zbadać, w szczególności w odniesieniu do powietrznych pomp ciepła, jak duży udział w mocy już zainstalowanych pomp ciepła mają urządzenia o wartości SPF większej od sprawności minimalnej. Przy tej ocenie państwa członkowskie mogą się opierać zarówno na danych badawczych, jak i pomiarach, chociaż brak danych może w wielu przypadkach ograniczyć ocenę do ekspertyzy przeprowadzonej przez każde państwo członkowskie. Takie ekspertyzy powinny być ostrożne, co oznacza, że należy raczej nie doszacować niż przeszacować wkład pomp ciepła.
Szczególnej uwagi wymagają rewersyjne (odwracalne) powietrzne pompy ciepła, ponieważ istnieje wiele potencjalnych źródeł przeszacowania, ponieważ niewszystkie odwracalne pompy ciepła są używane do ogrzewania lub tylko w ograniczonym zakresie; oraz starsze (i nowe mniej efektywne) urządzenia mogą mieć SPF poniżej wymaganej wartości progowej 2,5.
Decyzja Komisji zwraca również uwagę, że znaczny udział  powietrzne pompy ciepła do podgrzewania wody nie spełnia wymogu minimalnej wartości SPF. Tylko w wyjątkowych wypadkach takie pompy ciepła mają SPF powyżej minimalnej wartości progowej (poniżej 2,5).

Granice układu do celów pomiaru energii z pomp ciepła

Granice układu do celów pomiaru obejmują cykl obiegu czynnika roboczego, pompę (lub wentylator) czynnika chłodniczego (np. wody, roztworu glikolu) oraz, w przypadku ad/absorpcji, dodatkowo cykl sorpcyjny i pompę rozpuszczalnika.
SPF należy wyznaczyć jako współczynnik efektywności sezonowej (SCOP_net ) zgodnie z normą EN 14825:2012 lub jako wskaźnik sezonowego zużycia energii pierwotnej (SPER_net ) zgodnie z normą EN 12309.
Oznacza to, że należy uwzględnić energię elektryczną lub paliwo zużyte na potrzeby działania pompy ciepła i obiegu czynnika chłodniczego (np. roztworu glikolu).
Odpowiednie granice układu przedstawiono na rysunku 1 poniżej jako SPFH ₂ , zaznaczone na czerwono.

Na rysunku 1 zastosowano następujące skróty:
E_{S_fan/pump} –    energia wykorzystywana do napędzania wentylatora lub pompy, które powodują obieg czynnika chłodniczego (np. wody, roztworu glikolu);
E_{HW_hp}  –        energia wykorzystywana do napędzania pompy ciepła (np. sprężarki);
E_{bt_pump} –       energia wykorzystywana do napędzania pompy powodującej obieg czynnika, który absorbuje energię otoczenia (dotyczy tylko niektórych pomp ciepła);
E_{HW_bu} –         energia wykorzystywana do napędzania dodatkowego ogrzewacza (dotyczy tylko niektórych pomp ciepła);
E_{B_fan/pump} –   energia wykorzystywana do napędzania wentylatora lub pompy, które powodują obieg czynnika, który dostarcza końcowego ciepła użytecznego;
Q_{H_hp} –          ciepło dostarczane ze źródła ciepła poprzez pompę ciepła;
Q_{W_hp}  –         ciepło dostarczane z energii mechanicznej wykorzystywanej do zasilania pompy ciepła;
Q_{HW_hp} –        ciepło dostarczane z dodatkowego ogrzewacza (dotyczy tylko niektórych pomp ciepła);
E _RES  –          odnawialna energia aerotermalna, geotermalna lub hydrotermalna (źródło ciepła) przejęta przez pompę ciepła

E _RES       →      E_RES = Q_usable – E_{S_fan/pump} – E_{HW_hp} = Q_usable * (1 – 1 / SPF)

Q _usable   →       Q_usable = Q_{H_hp} + Q_{W_hp}

Z określonych powyżej granic systemu wynika, że obliczenie energii odnawialnej dostarczanej przez pompy ciepła zależy od samej pompy ciepła, a nie od układu grzewczego, którego część stanowi pompa ciepła.
Nieefektywne wykorzystywanie energii z pomp ciepła jest tym samym kwestią efektywności energetycznej i nie powinno mieć wpływu na obliczanie energii odnawialnej dostarczanej przez pompy ciepła.

Warunki klimatyczne

Definicja warunków klimatu umiarkowanego, chłodnego i ciepłego jest zgodna z metodą zaproponowaną w projekcie rozporządzenia delegowanego Komisji w sprawie etykietowania energetycznego urządzeń grzewczych,  gdzie „warunki klimatu umiarkowanego”, „warunki klimatu chłodnego” i „warunki klimatu ciepłego” oznaczają warunki temperaturowe właściwe, odpowiednio, dla następujących europejskich miast: Strasburg, Helsinki i Ateny.

Sugerowane obszary warunków klimatycznych przedstawiono na rysunku 2 poniżej.

Wykres na rys. 3 pokazuje że realne statystyczne warunki klimatyczne typowych lokalizacji w Polsce znajdują się pomiędzy warunkami dla klimatu chłodnego i umiarkowanego.

Wytyczne obliczeń dla różnych pomp ciepła

Pompy ciepła wykorzystujących powietrze wywiewane jako źródło energii
Pompy ciepła wykorzystujące powietrze wywiewne jako źródło energii korzystają z energii otoczenia, dlatego dostarczają energię odnawialną. Ale jednocześnie takie pompy ciepła odzyskują energię z powietrza wywiewanego, która nie stanowi energii aerotermalnej zgodnie z dyrektywą OZE. Dlatego tylko pobrana energia aerotermalna jest liczona jako energia odnawialna.

Uwzględnione jest to poprzez korektę wartości H_HP dla takich typów pomp ciepła, jak określono w tabelach 1 i 2.

Powietrzne pompy ciepła z grzałkami elektrycznymi
Wartości H_HP podane w tabelach 1 i 2 uwzględniają nie tylko czas używania pompy ciepła, ale także czas używania dodatkowej grzałki elektrycznej. Ponieważ grzałka znajduje się poza granicami układu, dla wszystkich powietrznych pomp ciepła wartości H_HP są odpowiednio korygowane, aby uwzględniać jedynie ciepło użytkowe dostarczane przez tylko przez pompę ciepła.  Skorygowane wartości H_HP zostały podane w tabelach 1 i 2.
W przypadku powietrznych pomp ciepła, których moc podawana jest dla warunków projektowych (a nie dla standardowych warunków badawczych wg PN-EN 14511), należy korzystać z wartości H_HE  równej 3 465 h dla klimatu zimnego (obowiązującego w Polsce).
Tylko powietrze atmosferyczne, tj. powietrze zewnętrzne, może być źródłem energii dla powietrznych pomp ciepła.

Wkład energii odnawialnej z hybrydowych systemów pomp ciepła
W przypadku hybrydowych systemów pomp ciepła, gdzie pompa ciepła działa we współpracy z innymi technologiami OZE (np. termiczne kolektory słoneczne wykorzystywane są jako np. system wstępnego podgrzewu gruntu), rozliczanie energii odnawialnej jest obciążone ryzykiem niedokładności.Ważne jest, aby rozliczanie energii odnawialnej z hybrydowych systemów pomp ciepła było prawidłowe, a w szczególności, aby energia odnawialna nie była rozliczania wielokrotnie.

Wytyczne dotyczące opracowania dokładniejszych metodyk
Przewiduje się i zachęca państwa członkowskie, aby dokonały własnych oszacowań dotyczących SPF i H_HP . Jeżeli można dokonać lepszych oszacowań, to takie krajowe/regionalne podejścia powinny się opierać na prawidłowych założeniach i reprezentatywnych próbach o wystarczającej wielkości, co będzie skutkować znacząco lepszymi oszacowaniami energii odnawialnej pochodzącej z pomp ciepła w porównaniu z wartościami szacunkowymi otrzymanymi przy użyciu metody określonej w niniejszej decyzji. Takie ulepszone metodyki mogą się opierać na szczegółowych obliczeniach na podstawie danych technicznych uwzględniających między innymi rok instalacji, jakość instalacji, rodzaj sprężarki, tryb działania, układ rozprowadzania ciepła, temperaturę biwalencyjną i klimat regionalny.

Jeżeli państwa członkowskie stosują alternatywne metodyki lub wartości, to zachęca się do przedłożenia ich Komisji wraz ze sprawozdaniem opisującym zastosowaną metodę i wartości. Komisja, w razie konieczności, przetłumaczy dokumenty i opublikuje je za pomocą swojej platformy na rzecz przejrzystości.

Zgodnie z decyzją, wytyczne mogą zostać zmienione i uzupełnione przez Komisję najpóźniej do dnia 31 grudnia 2016 r., jeżeli będzie to konieczne ze względu na postępy w statystyce, technice lub nauce.

Otwarte kwestie w Decyzji Komisji Europejskiej

Warto rozważyć kilka kwestii nierozstrzygniętych w decyzji Komisji.
1)      Czy należy uwzględniać i w jakim stopniu energię  OZE dla urządzeń klimatyzacyjnych z dodatkową funkcją grzewczą pompy ciepła?
2)      Ważnym zadaniem dla branży pomp ciepła jest oszacowanie, jak wiele pomp ciepła będących na rynku polskim nie spełnia warunku min. 2,5.  Wg PORT PC dotyczy to stosunkowo niewielkiej grupy pomp ciepła powietrze/woda zamontowanych kilka lat temu.
3)      Warto zadbać o to, aby programy wsparcia dla pomp ciepła zapewnialy wsparcie tej technologii, która zagwarantuje zachowanie wysokiej wartości wsp. SPF. W przypadku pomp ciepła typu powietrze/woda wsparcie powinny uzyskać technologie o wysokiej efektywności (COP).
4)      Bardzo ważnym zadaniem jest wprowadzenie w Polsce programów badawczych na temat efektywności pomp ciepła w realnych warunkach użytkowania w Polsce (powietrzne pompy ciepła, pompy ciepła do c.w.u., pompy gruntowe). Komisja Europejska zachęca państwa członkowskie, aby dokonały własnych oszacowań dotyczących SPF i H_HP . I w takim oszacowaniu mogą pomóc wyniki badań realnej efektywności pomp ciepła.

 Energia z OZE w różnych technologiach – porównanie kosztów dla domu jednorodzinnego

Decyzja Komisji Europejskiej ma szansę stać się przełomowym momentem dla znaczenia pomp ciepła w sektorze odnawialnych źródeł w Polsce .
Decyzja Komisji Europejskiej ma szansę stać się przełomowym momentem dla znaczenia pomp ciepła w sektorze odnawialnych źródeł w Polsce .
Jest to niewątpliwie duża szansa dla rozwoju rynku oraz dla wzrostu ogólnej świadomości w społeczeństwie w zakresie technologii pomp ciepła jako atrakcyjnej i bardzo realnej pod względem ekonomicznym i ekologicznym alternatywy dla konwencjonalnych źródeł energii.

Poniższe porównaniewskazuje jak wygląda przeciętny koszt uzyskania 1 kWh dla wybranych  technologii korzystających z OZE w budynkach jednorodzinnych. (tabela 3 i rysunek 4).
Z porównania widać wyraźnie jak bardzo atrakcyjna stanie się pompa ciepła pod względem produkcji energii z OZE.
Można wyrazić nadzieję, że w krótkim czasie zmieni się również polityka naszego państwa i agend rządowych w zakresie promowania pomp ciepła oraz że pojawi się realne wsparcie dla rozwoju pomp ciepła w Polsce.