ANALIZA TECHNICZNO-EKONOMICZNA ZASTOSOWANIA POMPY

CIEPŁA DLA BUDYNKU JEDNORODZINNEGO – STUDIUM

PRZYPADKU

Autorzy: Justyna Topolańska, Dorota Anna Krawczyk

("Rynek Energii" - grudzień 2016)

Słowa kluczowe: ogrzewanie, pompy ciepła, koszty eksploatacyjne, zapotrzebowanie na ciepło

Streszczenie. Pompa ciepła to urządzenie, które przenosi ciepło z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o

wyższej temperaturze. Warunkiem, by było to możliwe, jest dostarczenie energii napędowej. Najpopularniej-

szym typem pomp ciepła jest pompa sprężarkowa, której działanie bazuje na sprężarkowym obiegu termodyna-

micznym. W obiegu pompy ciepła występują ponadto obiegi: źródła dolnego (z niego ciepło jest pobierane) i

górnego (do niego ciepło jest oddawane).

W artykule omówiono rodzaje pomp ciepła oraz dolnych źródeł ciepła. Przedstawiono także instalację grzewczą

pracującą na potrzeby ogrzewania domu jednorodzinnego zlokalizowanego w województwie podlaskim. W

obiekcie prowadzono rejestrację temperatury powietrza zewnętrznego, czynnika zasilającego instalację c.o. i

uzyskiwanej temperatury wewnętrznej. Analiza uzyskanych wyników pomiarów oraz ponoszonych kosztów

eksploatacyjnych umożliwia realną ocenę funkcjonowania rozpatrywanego systemu.

1. WSTĘP

Regulacje prawne, które coraz bardziej obniżają maksymalne wartości wskaźnika zapotrze-

bowania na energię pierwotną EP, powodują większe zainteresowanie zastosowaniem innych

sposobów pozyskiwania energii do ogrzewania budynków lub przygotowywania ciepłej wody

użytkowej. Rozwiązaniem, które coraz częściej pojawia się przy domach jednorodzinnych,

jest pompa ciepła.

2. CHARAKTERYSTYKA POMP CIEPŁA

Pompa ciepła, dzięki dostarczeniu energii napędowej, przenosi ciepło z ośrodka o niższej

temperaturze do ośrodka o wyższej temperaturze.

2.1. Podział pomp ciepła

Pompy ciepła można podzielić na następujące typy [27]:

sorpcyjne (z napędem cieplnym),

termoelektryczne (z napędem elektrycznym),

sprężarkowe (z napędem mechanicznym).

Najpopularniejsze są pompy sprężarkowe, jednak pozostałe typy również posiadają zalety.

Pompy sorpcyjne charakteryzują się niskim poziomem hałasu podczas pracy, dużą niezawod-

nością czy brakiem powstawania wibracji instalacji. Można wśród nich wyróżnić [25]: ab-

sorpcyjne pompy ciepła, transformatory ciepła i resorpcyjne pompy ciepła.

Pompy termoelektryczne wykorzystują tzw. efekt Peltiera, czyli zjawisko nagrzewania się

jednej strony i ochładzania drugiej podczas przepływu prądu stałego przez obwód złożony z

dwóch różnych przewodników. Podstawowym elementem pompy są termoelementy złożone z

dwóch gałęzi wykonanych z półprzewodników. Termoelementy te łączy się w baterie.

Wyróżnia się również źródło dolne i górne pompy ciepła. Ciepło jest pobierane ze źródła dol-

nego, zaś oddawane – do górnego. W zależności od możliwości zastosowania konkretnego

rodzaju pompy ciepła, stosuje się odpowiedni rodzaj urządzenia. Dolne źródło ciepła charak-

teryzuje się w sposób [24]:

jakościowy (np. dostępność, korozyjność),

ilościowy (temperatura i jej zmienność w czasie, zasoby energii i jej zmiany w czasie czy

koszty inwestycyjne i eksploatacyjne).

2.2. Sprężarkowe pompy ciepła

Idea konstrukcji pompy ciepła bazuje na sprężarkowym obiegu termodynamicznym. Czynnik

roboczy krąży pomiędzy sprężarką (SP), parownikiem (PR), skraplaczem (SK) i zaworem

izentalpowym (ZR). Jest to obieg zamknięty [24].

Sprężarka powoduje sprężenie pary czynnika termodynamicznego, w efekcie jego temperatu-

ra rośnie, a dzięki napędowi elektrycznemu wymusza krążenie par czynnika. W skraplaczu

(wymiennik ciepła) para oddaje swoje ciepło czynnikowi instalacyjnemu, ulegając przy tym

skropleniu. W zaworze rozprężnym czynnik roboczy rozpręża się i tym samym ulega ochło-

dzeniu, by móc odebrać ciepło od dolnego źródła. Ma to miejsce w parowniku (drugi wy-

miennik ciepła), czynnik przy tym odparowuje. Obieg zaczyna się od początku. Schemat

działania pompy przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Schemat działania sprężarkowej

pompy ciepła

do inst. c.o.

z inst. c.o. do dolnego źródła

z dolnego źródła

SP

ZR

PR

SK

Pompy ciepła dzielą się na cztery typy urządzeń [27]:

pompa powietrze/woda,

pompa woda/woda,

pompa solanka/woda,

pompa bezpośrednie parowanie/woda.

Pompy typu powietrze/woda jako dolne źródło wykorzystują powietrze atmosferyczne bądź

zużyte powietrze z urządzeń wentylacyjnych (np. hale fabryczne, instalacje basenowe). Moc

grzewcza pompy zmniejsza się ze spadkiem temperatury zewnętrznej, a przy określonej mi-

nimalnej temperaturze dalsza eksploatacja nie jest możliwa. Ponadto może dojść do szronie-

nia parownika, wskazane jest stosowanie systemów przeciwdziałających temu zjawisku.

W pompach typu woda/woda jako dolne źródło jest wykorzystywana woda, powierzchniowa

lub gruntowa. Jednak jej temperatura powinna być wyższa niż 7°C (zimą w przypadku wód

powierzchniowych jest to trudne do realizacji). Z kolei przy wykorzystaniu wód gruntowych

istnieje ryzyko wyczerpania warstwy wodonośnej, należy upewnić się, że wydajność studni

zasilającej będzie wystarczająca. Ponadto ważne są parametry jakościowe wody, szczególnie

wielkość jej zdolności korodującej.

W pompie ciepła solanka/woda czynnik odbierający ciepło z dolnego źródła (solanka) krąży

w obiegu zamkniętym. Jest on niezamarzający z uwagi na fakt, że po ochłodzeniu w parowni-

ku może mieć temperaturę poniżej 0°C.

W ostatnim typie pompy, jako parownik może być wykorzystany płaski kolektor gruntowy z

rur miedzianych. Czynnik krążący w jego wnętrzu paruje przy zetknięciu (poprzez ścianki

rur) z gruntem. Jest to najrzadziej spotykane rozwiązanie.

2.3. Grunt jako dolne źródło ciepła

Na pewnej głębokości w gruncie występuje niemal stała temperatura, o wartości zbliżonej do

średniorocznej temperatury powietrza w danej strefie. Zastosowanie gruntu w stosunku do

wody jest o tyle korzystniejsze, że grunt jest łatwo dostępny, a jego temperatura przewyższa

temperaturę powietrza zewnętrznego.

Wymiennik gruntowy może być wykonany jako wymiennik poziomy lub pionowy.

Wymiennik poziomy można wykonać jako układ płaski szeregowy, wężownicowy lub spiral-

ny. Rury zwykle umieszcza się na głębokości 1,2 – 2,0 m, ok. 30 cm poniżej strefy przema-

rzania gruntu. Jeżeli kolektor składa się z kilku równoległych sekcji, wtedy muszą one być

równej długości. Wszystkie gałęzie powinny być wykonane z jednego kawałka rury

i połączone rozdzielaczem w studzience zbiorczej. Ilość uzyskanego ciepła zależy od rodzaju

gruntu, im grunt posiada większą wilgotność, tym więcej ciepła można uzyskać. Czynnikiem

ograniczającym zastosowanie wymiennika poziomego jest powierzchnia działki, jaka jest do

dyspozycji [11].

Wymiennik pionowy inaczej nazywany jest sondą ziemną. Najczęściej stosowany, z uwagi na

prostotę wykonania, jest typ „U”. Odległość pomiędzy odwiertami powinna wynosić mini-

mum 5m. Wykonanie odwiertów jest dość kosztowne i może powodować ograniczenia w

stosowaniu tych wymienników. Ilość uzyskanego ciepła również zależy od rodzaju gruntu,

jest wyższa w gruntach wilgotnych. [27]

Generalnie zakłada się, że wartość strumienia ciepła uzyskanego z 1mb rury wymiennika po-

ziomego to 20 – 40 W/mb, natomiast przy wymienniku pionowym jest to 40 – 80 W/mb. Do

układania w gruncie stosuje się rury polietylenowe (wym. poziomy) lub systemowe rury two-

rzywowe (wym. pionowy).

2.4. Współpraca systemu grzewczego z pompą ciepła

Pompa ciepła może być wykorzystana w układzie monowalentnym, monoenergetycznym lub

biwalentnym [28].

Tryb pracy monowalentny oznacza, że pompa jest jedynym urządzeniem produkującym cie-

pło dla instalacji ogrzewania i do podgrzewu ciepłej wody użytkowej, czyli pokrywa 100%

zapotrzebowania na ciepło.

O trybie monoenergetycznym mówi się, gdy praca pompy jest wspomagana przez dodatkowe

elektryczne źródło ciepła, np. przepływowy podgrzewacz wody lub kocioł elektryczny. W

takim przypadku pompa pokrywa około 90% potrzeb energetycznych budynku.

Z kolei tryb biwalentny oznacza, że pompa zaspokaja 60-80% potrzeb cieplnych instalacji, a

jej praca jest wspomagana dodatkowym, konwencjonalnym źródłem ciepła. Może to być re-

alizowane na dwa sposoby: przy ujemnych temperaturach pompa zostaje całkowicie wyłą-

czona, a całkowitą energię wytwarza drugie źródło ciepła (układ biwalentny alternatywny),

bądź ma miejsce jednoczesna praca pompy i dodatkowego źródła ciepła (układ biwalentny

równoległy). W tym przypadku mówi się o punkcie biwalencyjnym, określającym temperatu-

rę zewnętrzną, przy której praca pompy ciepła będzie zastępowana lub wspomagana pracą

drugiego źródła ciepła.

Decydując się na montaż pompy ciepła, należy uwzględnić charakterystykę pracy instalacji

c.o. Musi być ona zaprojektowana jako niskoparametrowa, najlepiej jako ogrzewanie podło-

gowe. Temperatura zasilania powinna wynosić 35 – 40 °C, zatem tradycyjne grzejniki muszą

być odpowiednio zwiększone, by przy niższych parametrach przekazać do pomieszczenia

wymaganą ilość ciepła [10].

2.5. Publikacje na temat pomp ciepła

Pompom ciepła poświęcono liczne publikacje naukowe polskich autorów.

W 2008 i 2009 roku Rubik M. opublikował cykl artykułów dotyczących pomp ciepła. Przed-

stawiały one szereg zagadnień związanych z funkcjonowaniem pomp ciepła, a mianowicie

[11-20]:

zarys historii pomp i informacje ogólne,

teoretyczne podstawy działania,

rzeczywiste obiegi pomp ciepła,

rodzaje pomp ciepła,

informacje o dolnych źródłach ciepła,

pompy ciepła w systemach ogrzewania budynków i podgrzewu c.w.u.,

energetyczne, ekonomiczne i ekologiczne aspekty stosowania pomp ciepła,

problemy eksploatacyjne.

Analiza polskiego rynku pomp ciepła została przeprowadzona przez Zimnego i in. [26] i wy-

nika z niej, że w latach 2000-2013 nastąpił wzrost sprzedaży urządzeń z 110 do 15000 sztuk

rocznie. Instalowane były głównie pompy gruntowe solanka/woda na potrzeby grzewcze. W

2012 roku odnotowano po raz pierwszy dominację sprzedaży pomp do przygotowania ciepłej

wody użytkowej i znaczący wzrost udziału pomp powietrze/powietrze.

Analizę kosztów ogrzewania domu jednorodzinnego przy zastosowaniu pompy ciepła przed-

stawiono w [5]. Stwierdzono, że wyższy wskaźnik COP występuje przy pracy pompy na po-

trzeby instalacji c.o. niż c.w.u. Ponadto ponad 70% ciepła potrzebnego do ogrzewania jest

pobierane z gruntu, a urządzenie pracuje 7 – 10 godzin w ciągu doby. Koszt eksploatacji

pompy w przeciągu roku to niecałe 1100 zł brutto. Z kolei wyliczenia podane w [8] przy nie-

co większej powierzchni użytkowej domu kształtują się na poziomie 4300 zł (tylko cele

ogrzewcze). Tańszymi źródłami energii są kotły węglowe i gazowe, zwykłe i kondensacyjne.

Przeanalizowano stosowanie sprężarkowych pomp ciepła w systemach grzewczych [1]. Po-

równano ilość energii wytworzoną w pompie ciepła z kotłownią węglową, olejową, gazową i

ciepłem systemowym. W każdym z tych przypadków pompa okazywała się rozwiązaniem

korzystniejszym. Dokonano również analizy ekonomicznej pracy pompy ciepła względem

w/w źródeł ciepła [2]. Jednostkowy koszt produkcji energii był niższy dla pompy ciepła w

odniesieniu do kotłowni olejowej, opalanej gazem płynnym i przy ogrzewaniu elektrycznym

(gdy budynek jest słabo izolowany). W przypadku kotłowni węglowej, olejowej kondensa-

cyjnej czy też ciepła systemowego, korzystniej pod względem ekonomicznym jest wybrać

któreś z tych rozwiązań.

Analizie został poddany system z akumulatorem wodnym jako dolnym źródłem ciepła [6].

Akumulator wodny powinien być izolowany termicznie od otoczenia. Jego ładowanie miało-

by miejsce latem, poprzez absorbery słoneczne. W pierwszej części sezonu grzewczego wy-

miana ciepła między adsorberem a budynkiem byłaby wystarczająca, dopiero w drugiej po-

łowie rozpoczynałaby swoją pracę pompa ciepła, wykorzystująca jako dolne źródło akumula-

tor. Współczynnik wydajności pompy w analizowanym przypadku wyniósł 6,37, a koszt wy-

produkowania energii to 33 zł/GJ.

W artykule [7] przedstawiono zagadnienia związane z błędami eksploatacyjnymi, które

wpływają na obniżenie wydajności instalacji z pompami ciepła. Autor zwraca np. uwagę na

głębokość odwiertów – często wykonywane są 30m. Niestety, pierwsze 10m charakteryzuje

się słabszą wymianą ciepła, może też dochodzić do schłodzenia solanki. Nadmierna eksplo-

atacja dolnego źródła (podnoszenie temperatury wewnątrz pomieszczeń, słabsze docieplenie

przegród niż w projekcie, itp.) powoduje, że grunt może się nie zregenerować przed kolej-

nym sezonem, a nawet może powstać zmarzlina wokół sondy.

Efektem badań nad efektywnością pompy ciepła powietrze/woda przygotowującej czynnik

grzewczy w funkcji krzywej regulacji zależnej od temperatury powietrza zewnętrznego [3]

było udowodnienie, że taki tryb pracy pozwala na efektywniejsze wykorzystanie potencjału

pompy ciepła. Ponadto opracowano model statystyczny opisujący zależność współczynnika

efektywności od przyjętych parametrów. Stwierdzono dobrą zgodność warunków pracy rze-

czywistych i uzyskiwanych z modelu.

Przeprowadzono badania eksperymentalne zmian temperatury gruntu wskutek eksploatacji

odwiertów pionowych jako dolnego źródła ciepła [4]. Okazało się, że przy niezbyt intensyw-

nym wykorzystywaniu ciepła gruntu, w analizowanym sezonie grzewczym jego temperatura

zmalała o 0,8 K.

Istnieje możliwość wykorzystania ciepła odpadowego jako dolnego źródła ciepła [21]. Takim

ciepłem może być np. ciepło ze ścieków, z pompowanych wód z czynnych i nieczynnych

kopalni, ciepło z powietrza usuwanego z budynków inwentarskich czy też agregatów chłodni-

czych (chłodzenie mleka, owoców, warzyw).

W artykule [9] zaprezentowano możliwość stosowania zapisów z normy PN-EN 14825 nie

tylko do kwalifikowania pomp ciepła do klasy energetycznej, ale też do celów projektowych.

Metoda proponowana w w/w normie uwzględnia specyfikę sezonu grzewczego w danym

miejscu i projektowe obciążenie cieplne, nie nadaje się jednak do wyznaczania kosztów eks-

ploatacyjnych.

M. Szreder [22] przedstawił wyniki badań pompy ciepła z odwiertami pionowymi, prowadzo-

nych w niskoenergetycznym domu jednorodzinnym o powierzchni mieszkalnej 156 m2

i za-

potrzebowaniu na ciepło do ogrzewania na poziomie 9 kW, w którym zostało zastosowane

ogrzewanie podłogowe. Badania prowadzone dla zmiennego przepływu czynnika pokazały,

że możliwe było uzyskania wysokiej efektywności wytwarzania ciepła w przypadku pracy na

potrzeby c.o., natomiast przy podgrzewie ciepłej wody użytkowej COP było niższe od ocze-

kiwanego.

3. OBIEKT BADAŃ - POMPA CIEPŁA W NARWI

Badanym obiektem był budynek jednorodzinny parterowy z użytkowym poddaszem (rys. 2),

zlokalizowany w województwie podlaskim. Budynek posiada powierzchnię ogrzewaną 181

m2, a jego obliczeniowe obciążenie cieplne (wg PN-EN 12831:2006) wynosi 9,35 kW.

Współczynniki przenikania ciepła dla przegród budowlanych to:

- ściany zewnętrzne U= 0,306 W/m2K,

- okna U= 1,7 W/m2K,

- drzwi U= 2,6 W/m2K,

- dach U= 0,256 W/m2K,

- strop pod nieogrzewanym poddaszem U=0,245 W/m2K,

- podłoga na gruncie U= 0,26W/m2K.

W 2012r. w budynku mieszkała jedna osoba, zaś od 10.2014r. dwie osoby.

Rys. 2. Rzut parteru budynku (pompa ciepła

w pomieszczeniu łazienki) Źródło: opracowanie

własne

W budynku w 2012 roku zamontowano pompę ciepła FIGHTER F1245 firmy NIBE-

BIAWAR o mocy 10 kW. pracującą na potrzeby centralnego ogrzewania oraz podgrzewu

ciepłej wody użytkowej. Podgrzew ciepłej wody użytkowej realizowany jest za pośrednic-

twem podgrzewacza zintegrowanym z pompą ciepła o pojemności 180 litrów. Deklarowany

pobór mocy elektrycznej to 2,01 kW, zaś współczynnik COP przy B0/W34 wg EN 14511 –

4,81. Urządzenie posiada wbudowany moduł grzewczy elektryczny. Model ten pozwala na

osiągniecie temperatury zasilania na poziomie nawet 65°C.

Dolne źródło ciepła stanowią 3 odwierty pionowe o głębokości 100 i średnicy 40 mm każdy.

Dodatkowym, szczytowym źródłem ciepła jest kominek z płaszczem wodnym (przed monta-

żem pompy główne źródło ciepła). Istnieje także możliwość wykorzystania pieca kaflowego

pokojowego, bądź elektrycznego ogrzewania podłogowego.

Rys. 3. Wnętrze studzienki rozdzielaczowej,

Źródło: fot. J. Topolańska

Na zdjęciu (rys. 3) widoczna jest studzienka rozdzielaczowa mieszcząca wszystkie sondy.

Właściciel zauważył problemy z ubywaniem glikolu, jednak po wymianie rozdzielacza sytu-

acja taka nie miała już miejsca. Poza tym nie stwierdzono żadnych problemów eksploatacyj-

nych.

W trakcie prowadzonych badań w obiekcie mierzono wartości temperatury: powietrza ze-

wnętrznego, powietrza wewnętrznego i czynnika zasilającego instalację c.o. (rys. 4).

Rys. 4. Czujnik mierzący temperaturę zasilania insta-

lacji c.o. Źródło: fot. J. Topolańska

Odczytów dokonywano w odstępie 3 godzin, w ciągu dnia. Uzyskane wyniki temperatury

zasilania, jako wartości zmierzone na ściance rury, zostały przeliczone zgodnie z zależno-

ściami podanymi przez Szarguta [23], aby uzyskać rzeczywistą temperaturę czynnika

grzewczego. Temperaturę zewnętrzną odczytywano z pulpitu pompy ciepła.

Celem badań jest określenie parametrów czynnika grzewczego w trybie ogrzewania, przy

różnej temperaturze zewnętrznej oraz ocena poprawności doboru pompy ciepła do rozpatry-

wanego obiektu.

4. WYNIKI POMIARÓW

Jako okres pomiarowy charakterystyczny dla okresu jesienno-zimowego wybrano listopad.

Wartości temperatury zewnętrznej zawierały się w zakresie od kilka stopni powyżej 0, po-

przez 0°C (kilka dni) do nawet do niemal -10 °C.

Na rys 5. pokazano przebieg zmienności temperatury powietrza zewnętrznego i czynnika

zasilającego instalację c.o. Gdy wartości temperatury zewnętrznej spadają – temperatura wo-

dy na zasilaniu rośnie, natomiast wzrostowi temperatury zewnętrznej towarzyszy spadek tem-

peratury czynnika na zasilaniu.

Rys. 5. Temperatura zasilania i temperatura ze-

wnętrzna – wyniki z listopada 2015r. Źródło:

opracowanie własne

Z kolei na podstawie wykresu temperatury zasilania i temperatury wewnętrznej (rys.6) moż-

na zauważyć, że temperatura komfortu cieplnego w pomieszczeniu jest bez trudu osiągana.

Przy skokach temperatury zewnętrznej, musi dochodzić do skoków temperatury zasilania, ale

oczekiwana temperatura wewnętrzna jest zapewniona.

Rys. 6. Temperatura zasilania i temperatura we-

wnętrzna – wyniki z listopada 2015r. Źródło: opra-

cowanie własne

Pomiary zrealizowane w styczniu charakteryzują okres zimowy, z temperaturą zewnętrzną

poniżej 0°C.

Wykres (rys. 7) przedstawia zarejestrowane wartości temperatury powietrza zewnętrznego i

czynnika zasilającego. W tym przypadku również można zauważyć, że przy spadku tempera-

tury zewnętrznej, wzrasta temperatura zasilania, zaś przy wzroście temperatury zewnętrznej,

obniża się temperatura zasilania. Jednak odbywa się to z pewnym przesunięciem czasowym,

zauważyć można znaczenie akumulacyjności cieplnej budynku – pomimo spadku temperatury

zewnętrznej, temperatura zasilania również nieco spada, dopiero po kilku godzinach następuje

gwałtowniejszy wzrost temperatury zasilania w celu utrzymania zadanej temperatury we-

wnętrznej.

Rys. 7. Temperatura zasilania i temperatura ze-

wnętrzna – wyniki ze stycznia 2016r. Źródło: opra-

cowanie własne

Analizując wykres temperatury zasilania i temperatury wewnętrznej (rys. 8), można stwier-

dzić, że utrzymanie komfortu cieplnego wymaga znacznych skoków temperatury czynnika

grzewczego, jednak reakcja źródła ciepła jest szybka – przy spadku temperatury wewnętrznej

od razu dochodzi do podniesienia temperatury zasilania.

Rys. 8. Temperatura zasilania i temperatura we-

wnętrzna – wyniki z stycznia 2016r. Źródło: opraco-

wanie własne

Reasumując, można stwierdzić, że pompa ciepła dobrze realizuje swoje zadanie grzewcze,

dopasowując wymaganą temperaturę czynnika grzewczego do aktualnych warunków we-

wnętrznych i zewnętrznych i jest wystarczającym źródłem ciepła dla rozpatrywanego budyn-

ku. Proces dopasowania krzywej grzania zachodzi automatycznie i w odpowiednim tempie,

nie powodując dyskomfortu termicznego u mieszkańców.

Według obliczeń (pakiet OZC 6.7 Basic), projektowe obciążenie cieplne budynku wynosi

9,35 kW. Moc znamionowa pompy to 10 kW, co oznacza że pompa nawet przy najmniej-

szych mrozach jest w stanie samodzielnie zapewnić ogrzewanie budynku. Podgrzew ciepłej

wody musi być jednak realizowany z wykorzystaniem grzałki elektrycznej, gdyż priorytet

podgrzewu c.w.u. względem centralnego ogrzewania przy dużych mrozach będzie niewystar-

czający. Przy lżejszych zimach, zakładając racjonalne zużycie ciepłej wody magazynowanej i

izolowanym podgrzewaczu, praca pompy powinna zapewnić ogrzewanie budynku i wody

użytkowej.

W rozpatrywanym okresie nie wystąpiły warunki klimatyczne obliczeniowe (IV strefa -

22°C), zatem wydaje się, że energia uzyskiwana z pompy była wystarczająca do zaspokoje-

nia potrzeb omawianego budynku. Jednocześnie istnieją rezerwowe źródła ciepła, które mogą

pokryć ewentualne braki w ilości ciepła do ogrzewania budynku. Całość rozwiązania instala-

cyjnego funkcjonuje prawidłowo.

5. ANALIZA KOSZTÓW ENERGII

Analizę ekonomiczną przeprowadzono w oparciu o udostępnione archiwalne rachunki za

energię elektryczną. Na podstawie dostępnych rachunków sporządzono wykres (rys. 9) mie-

sięcznych opłat za energię elektryczną. Należy jednak pamiętać, że ceny energii ulegały

zmianom, zmieniła się również ilość mieszkańców.

Opłata w kwietniu 2014r., październiku 2014r. i kwietniu 2015r. jest opłatą wyrównującą za

mijający okres rozliczeniowy.

Rys. 9. Miesięczne opłaty za energię elektryczną

pomiędzy 2012 a 2015 rokiem. Źródło: opracowanie

własne

Wartość rachunku miesięcznego przy jednej osobie w okresie zimowym (od października do

kwietnia) wynosi około 200 zł, zaś przy dwóch osobach – 270 zł. Miesięczne opłaty w okre-

sie letnim, to około 120 zł (jedna osoba). Ponieważ w opłacie miesięcznej zawarte są opłaty

za energię zużytą na ogrzewanie budynku (tylko zima), na podgrzew c.w.u. oraz zużytą przez

urządzenia stanowiące wyposażenie domu i na oświetlenie, odejmując od opłaty w okresie

zimowym opłatę w okresie letnim, uzyskuje się koszty ponoszone na ogrzanie budynku. Za-

tem miesięcznie jest to około 80 zł (czyli 40% wartości opłaty i tym samym zużycia w danym

miesiącu).

Rys. 10. Sezonowe opłaty za zużycie energii elek-

trycznej. Źródło: opracowanie własne

Rozpatrując porównanie sezonów letnich z zimowymi (rys. 10), widać że koszty energii la-

tem są niższe i wynoszą około 700-800 zł, zaś zimą – około 1600-1700 zł. Zatem udział opłat

za ogrzewanie budynku to około 40% opłat dokonywanych w ciągu roku. Koszty „lato 2015”

i „lato 2016” są to wartości prognozowane z faktury.

Odnosząc te dane do wyników z podawanych w literaturze (1100 - 4300 zł), okazuje się, że w

rozpatrywanym obiekcie bliżej jest do wartości podanych w [5]. Koszty związane z ogrze-

waniem budynku to około 900 zł, dodatkowo należałoby uwzględnić koszt podgrzewu c.w.u.

Patrząc na roczne zużycie energii (rys. 11), widać jej stopniowy wzrost.

Rys. 11. Roczne zużycie energii elektrycznej.

Źródło: opracowanie własne

Przy założeniu, że 40% energii zużywanej w ciągu roku jest wykorzystywane w celach

ogrzewczych, zatem w 2013r. na cele c.o. wykorzystano 1594 kWh energii elektrycznej, w

2014r. – 1692 kWh, w 2015r. – 1872 kWh.

6. PODSUMOWANIE

W artykule dokonano analizy pracy pompy ciepła typu solanka/woda, pracującej na cele

grzewcze przy budynku mieszkalnym jednorodzinnym, położonym w IV strefie klimatycznej.

Na podstawie wyników pomiarów (temperatury powietrza zewnętrznego, powietrza we-

wnętrznego oraz temperatury czynnika zasilającego instalację c.o.) oceniono funkcjonowanie

pompy ciepła.

Stwierdzono, że pompa ciepła, adekwatnie do temperatury powietrza zewnętrznego i zadanej

temperatury wewnętrznej, reguluje temperaturę czynnika zasilającego. W okresie ze znacz-

nymi temperaturami ujemnymi, widoczne jest znaczenie akumulacyjności cieplnej budynku.

Wtedy też zapewnienie komfortu cieplnego wymaga dość dużych skoków temperatury zasila-

nia instalacji c.o.

Projektowe obciążenie cieplne budynku wynosi 9,35 kW, zaś moc pompy ciepła to 10 kW.

Podgrzew c.w.u. realizowany jest dzięki priorytetowi względem instalacji c.o. i z wykorzy-

staniem dodatkowej grzałki, jednak warunki obliczeniowe występują rzadko, zaś moc po-

trzebna na podgrzew c.w.u. (przy rozsądnym zużyciu i izolowaniu zasobników) jest również

mniejsza niż obliczeniowa. Dzięki opcjonalnemu wykorzystaniu dodatkowych źródeł ciepła,

cała instalacja pracuje prawidłowo i zgodnie z oczekiwaniami.

Koszty energii elektrycznej zużywanej przez pompę ciepła do pracy na cele ogrzewania bu-

dynku mieszczą się w oczekiwanych granicach i wynoszą około 900 zł.

Badania zostały zrealizowane w ramach pracy statutowej Politechniki Białostockiej nr

S/WBiIŚ/4/2014 oraz MB/WBiIŚ/12/2014 i sfinansowane ze środków na naukę MNiSW.

LITERATURA

[1] Chudzik P.: Analiza energetyczna stosowania sprężarkowych pomp ciepła. Rynek Energii

2009, nr 1 str. 32-43.

[2] Chudzik P., Strzelczyk F.: Analiza ekonomiczna stosowania sprężarkowych pomp ciepła.

Rynek Energii 2010, nr 4 str. 68-76.

[3] Fidorów N., Bartnicki G.: Efektywność energetyczna pompy ciepła powietrze woda pra-

cującej w funkcji krzywej regulacji. Rynek Energii 2012, nr 5 str. 38-43.

[4] Fidorów N., Szulgowska-Grzywa M.: Monitoring temperatury w pionowym odwiercie

pompy ciepła. Rynek instalacyjny 2015, nr 4 str. 36-40.

[5] Gnyra K.: Ile kosztuje ogrzewanie pompą ciepła? Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wen-

tylacja 2008, nr 5 str. 5-9.

[6] Gumuła S., Stanisz K.: Akumulator wodny jako dolne źródło pompy ciepła. Rynek insta-

lacyjny 2011, nr 7 str. 31-34.

[7] Joniec W.: Wydajność pracy instalacji z gruntowymi pompami ciepła. Rynek instalacyjny

2012, nr 7-8 str. 56-59.

[8] Kiszczak A., Chochowski A.: Ocena efektywności instalacji grzewczej wykorzystującej

układ pompa ciepła – wymiennik gruntowy. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja

2007, nr 3 str. 8-12.

[9] Piechurski K., Szulgowska-Grzywa M.: Obliczanie rocznej efektywności pomp ciepła

powietrze/woda. Rynek instalacyjny 2016, nr 6 str. 35-48.

[10] Piwowarczyk Sz.: Jaka instalacja c.o. do pompy ciepła? InstalReporter 2015, nr 3, str. 9

– 10.

[11] Rubik M.: Pompy ciepła: poradnik. Ośrodek Informacji „Technika instalacyjna w bu-

downictwie”, Warszawa 2006.

[12] Rubik M.: Pompy ciepła. Zarys historyczny, informacje ogólne i sytuacja rynkowa. Cie-

płownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 2008, nr 4, str. 17-20.

[13] Rubik M.: Pompy ciepła cz. II. Teoretyczne podstawy działania – wykresy obiegów. Cie-

płownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 2008, nr 5, str. 3-5.

[14] Rubik M.: Pompy ciepła cz. III. Rzeczywiste obiegi sprężarkowych pomp ciepła, czynniki

robocze, klasyfikacja i budowa pomp ciepła. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja

2008, nr 6, str. 3-6.

[15] Rubik M.: Pompy ciepła cz. IV. Dolne źródła ciepła – budowa i wymiarowanie grunto-

wych wymienników ciepła. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 2008, nr 7-8, str.

6-10.

[16] Rubik M.: Pompy ciepła cz. V. Dolne źródła ciepła – budowa i wymiarowanie grunto-

wych wymienników ciepła. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 2008, nr 9, str. 3-

6.

[17] Rubik M.: Pompy ciepła cz. 6. Dolne źródła ciepła - budowa i wymiarowanie gruntowych

wymienników ciepła (cd.). Sprężarkowe pompy ciepła w systemach ogrzewania i przygo-

towania c.w.u.. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 2008, nr 10, str. 42-48.

[18] Rubik M.: Pompy ciepła cz. 7. Sprężarkowe pompy ciepła w systemach ogrzewania.

Energetyczne, ekologiczne i ekonomiczne aspekty stosowania pomp ciepła. Ciepłownic-

two Ogrzewnictwo Wentylacja 2008, nr 11, str. 14-17.

[19] Rubik M.: Pompy ciepła cz. 8. Energetyczne, ekologiczne i ekonomiczne aspekty stoso-

wania sprężarkowych pomp ciepła. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 2008, nr

12, str. 14-16.

[20] Rubik M.: Pompy ciepła cz. 8. Zakłócenia w eksploatacji i awarie instalacji z pompami

ciepła. Nowe uregulowania prawne w dziedzinie pomp ciepła. Ciepłownictwo Ogrzew-

nictwo Wentylacja 2009, nr 2, str. 3-7.

[21] Rybka K., Joniec W.: Pompy ciepła – przykłady pozyskiwania ciepła odpadowego. Rynek

instalacyjny 2016, nr 4 str. 46-48.

[22] Szreder M.: A field study of the performance of a heat pump installed in a low energy

house. Applied Thermal Engineering. Volume 71, Issue 1, 5 October 2014, Pages 596–

606.

[23] Szargut J.: Termodynamika techniczna. Politechnika Śląska, Gliwice 2013.

[24] Wydrycki J.: Pompa ciepła – budowa, zasada działania i parametry charakterystyczne,

W: Odnawialne źródła energii: biomasa i pompy ciepła. Referaty z seminariów. Stowa-

rzyszenie „Uroczysko”, Supraśl 2002, str. 41 - 53.

[25] Zalewski W.: Pompy ciepła: sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne. Podstawy teore-

tyczne. Przykłady obliczeniowe. Inżynierskie Przedsiębiorstwo Produkcyjno – Usługowe

Masta, Gdańsk 2001.

[26] Zimny J. Michalak P., Szczotka K.: Polish heat pump market between 2000 and 2013:

European background, current state and development prospects. Renewable and Susta-

inable Energy Reviews 48 (2015) 791–812.

[27] Zawadzki M.: Kolektory słoneczne. Pompy ciepła. Na Tak. Polska Ekologia, Warszawa

2003.

[28] www.hewalex.pl [dostęp: 20.07.2016r.]

TECHNICAL AND ECONOMIC ANALYSIS OF HEAT PUMP’S USAGE FOR

SINGLE-FAMILY BUILDING – CASE STUDY

Key words: heating, heat pumps, operating costs, heat demand

Summary. The heat pump is a device that transfers heat from a medium with a lower temperature to a higher

temperature medium using additional energy. The most common type of heat pumps is a pump with a compres-

sor, operating based on the compressor thermodynamic cycle between the lower and upper heat source.

The paper shows types of heat pumps and lower heat sources. Moreover a real working heating system with a

heat pump in the detached house located in Podlaskie region was presented. Measurements conducted between

2012 and 2015 allowed to register the outside and indoor air temperature, as well as temperature of water that

supplied the heating system. Analysis of the results of measurements and operating costs allowed to make conc-

lusions about system work.

Justyna Topolańska, mgr inż., doktorantka w Katedrze Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i

Wentylacji Politechniki Białostockiej, e-mail: j.topolanska@student.pb.edu.pl.

Dorota Anna Krawczyk, dr inż., adiunkt w Katedrze Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wen-

tylacji Politechniki Białostockiej, e-mail: d.krawczyk@pb.edu.pl