Magazyn ciepła w zastosowaniu z pompami ciepła
Analizy IEO dla ciepłownictwa. Pompy ciepła są urządzeniami grzewczymi zasilającymi instalacje CO (centralne ogrzewanie) i CWU (ciepła woda użytkowa). Mogą jednak również generować chłód. W obu wypadkach charakteryzują się wysoką efektywnością. Na ogół wykorzystywane są w budynkach mieszkalnych, ale coraz częściej znajdują zastosowanie w przemyśle, na przykład: spożywczym, papierniczym lub chemicznym, a także w ciepłownictwie.
Spośród wszystkich pomp ciepła sprężarkowe pompy ciepła typu powietrze-woda cieszą się największą popularnością. Składają się ze sprężarki, zaworu rozprężnego oraz dwóch wymienników ciepła: parownika oraz skraplacza. Dzięki parownikowi odbierają ciepło zawarte w powietrzu stanowiącym dolne źródło ciepła. Czynnik chłodniczy, znajdujący się w obiegu wewnętrznym pompy ciepła po odparowaniu (na parowniku), jest sprężany, aby następnie oddać ciepło na skraplaczu.
Później zostaje rozprężony, dzięki zaworowi rozprężnemu, by na końcu powrócić do parownika. Ciepło ze skraplacza dociera do górnego źródła ciepła, którym może być woda. Z tego względu takie pompy są nazywane powietrze-woda: dolnym źródłem ciepła jest dla nich powietrze atmosferyczne, a górnym – woda. Gdy zostaje ona podgrzana, dociera do zasobnika CWU lub do zbiornika buforowego.
W artykule omówiono zasady współpracy pomp ciepła z magazynami ciepła w kontekście spowodowanych kryzysem energetycznym coraz większych napięć w systemie elektroenergetycznym. Uwzględniona została perspektywa zmian na rynku energii, które prowadzą do wzrostu cen energii w godzinach szczytowego zapotrzebowania, co dotyczy także odbiorców końcowych (więcej w poprzednim artykule).
Ciepła woda użytkowa
W wypadku pomp ciepła przeznaczonych wyłącznie do podgrzewania CWU gorąca woda trafia do zasobnika CWU. Pojemność zasobnika uzależniona jest od dobowego zapotrzebowania mieszkańców na ciepłą wodę. Zgodnie z zaleceniami doświadczonych zagranicznych producentów przyjmuje się, że dobowe zapotrzebowanie na CWU wynosi 50 litrów na osobę.
W ramach projektu badawczego ComBioTES Instytut Energetyki Odnawialnej określił szczytowe zapotrzebowanie na moc grzewczą dla czteroosobowej rodziny. Wynosi ono 1 kW (rys. 1). Zasobnik CWU – zgodnie z opisanymi wcześniej wymogami dotyczącymi jednej osoby – dla rodziny czteroosobowej powinien więc pomieścić 200 litrów wody. Zbiornik o takiej objętości jest standardem w domach jednorodzinnych.
Rysunek 1. Godzinowe zużycie energii na potrzeby przygotowania CWU, źródło: IEO
Centralne ogrzewanie
Dobór pompy ciepła na cele CO opiera się na szczegółowych obliczeniach wynikających z normy PN-EN 12831. Umożliwiają one oszacowanie mocy grzewczej niezbędnej do pokrycia zapotrzebowania budynku na ciepło (to zapotrzebowanie wynika ze strat ciepła do otoczenia). Po określeniu mocy grzewczej pompy ciepła możliwy jest dobór zbiornika buforowego. Zgodnie z informacjami zawartymi m.in. w materiałach handlowych są to wartości od 10 do 25 litrów na 1 kW pompy ciepła (a nawet
3 litry na 1 kW), najlepiej dodatkowo pomniejszone o pojemność układu pompy ciepła.
Zaproponowane wartości są niższe niż te zalecane przez PORT PC, które wynoszą od 30 do 40 litrów na 1 kW mocy pompy ciepła z uwzględnieniem czasu trwania przerwy w zasilaniu (blokady energii elektrycznej – Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła – PORT PC). Pojemność od 30 do 40 litrów na 1 kW niekorzystnie wpływa na sprężarkę pompy ciepła, ponieważ znajdujący się w takiej instalacji zład wodny jest niewystarczający do zmagazynowania nadmiaru ciepła – wymusza ciągłą pracę lub częste załączanie się sprężarki. Według IEO rozwiązaniem problemu jest dobór zbiornika buforowego posiadającego pojemność nawet od 50 do 100 litrów na 1 kW mocy pompy ciepła.
Podłączenie – szeregowe lub równoległe
Po określeniu pojemności należy wybrać sposób podłączenia magazynów ciepła do instalacji. Dwoma podstawowymi sposobami podłączenia bufora są: układ szeregowy oraz równoległy. Podłączenie równoległe charakteryzuje się tym, że (w przeciwieństwie do układu szeregowego) do bufora trafia zarówno woda zasilająca, jak i powrotna, która płynie z obiegów grzewczych (rys. 2).
Wadą tego rozwiązania jest konieczność podgrzania całego znajdującego się w zbiorniku buforowym zładu wodnego do wartości temperatury maksymalnej wymaganej spośród wszystkich obiegów grzewczych. Dzięki podłączeniu bufora szeregowo na powrocie, pompa ciepła może natomiast osiągać temperaturę zadaną zasilania niezależnie od temperatury wody w buforze. Sposób podłączenia bufora wpływa więc na sterowanie pompą ciepła oraz na uzyskiwaną wartość temperatury wody.
Rysunek 2. Sposoby podłączenia magazynu ciepła, opracowanie: IEO
Wpływ temperatury na efektywność pompy ciepła
Wartość temperatury wody już przy różnicy 1°C może przełożyć się na współczynnik efektywności pompy ciepła COP rzędu kilku procent. W sytuacji, gdy temperatura powietrza atmosferycznego ma wartość 0°C, dla zakładanej temperatury wody grzewczej na poziomie 36°C wartość współczynnika COP wynosi 4,29.
Gdy temperatura zadana wzrośnie do 37°C, współczynnik COP maleje o 2,39% do wartości 4,19. Wpływ na wartość współczynnika COP ma również temperatura dolnego źródła ciepła, czyli powietrza atmosferycznego. Im większa jest różnica między temperaturą dolnego i górnego źródła ciepła, tym niższa jest wartość COP.
Zapotrzebowanie na energię elektryczną – efekt skali
Zgodnie z danymi opublikowanymi przez PORT PC w Polsce zamontowanych jest około 270 tysięcy pomp ciepła typu powietrze-woda, z czego około 180 tysięcy na cele głównie CO (dane ze sprzedaży w latach 2010 – 2021). Zainstalowana moc grzewcza tych pomp ciepła wynosi około 2,5 GW. Natomiast moc grzewcza pomp ciepła zarówno na cele CO, jak i CWU wynosi około 2,59 GW (wartości szacunkowe). Wartość współczynnika COP (zgodnie z danymi opublikowanymi przez Pawła Lachmana) równa 2,67 (rys. 3) przełoży się na zapotrzebowanie na moc elektryczną wynoszącą szczytowo 0,97 GW (CO + CWU).
Zapotrzebowanie na energię w takiej ilości przełoży się na zużycie węgla przez jednostki wytwórcze w liczbie 485,59t/h o wartości około 162 tysięcy zł/h. Sytuacja ta odnosi się do warunków, w których temperatura powietrza atmosferycznego osiągnie wartość -15°C, a temperatura zasilania ogrzewania podłogowego będzie równa 30°C.
Rysunek 3. Wartości COP dla pompy ciepła typu powietrze-woda współpracującej z ogrzewaniem podłogowym, źródło: Paweł Lachman, PORT PC
Kiedy mogą się pojawić problemy
Należy zadać pytanie, w ilu domach, w których instalowane są aktualnie pompy ciepła w ramach programów wsparcia, znajduje się ogrzewanie grzejnikowe. Na przykład: program Czyste powietrze wspiera wymianę służących do takiego ogrzewania kotłów (wykorzystujących paliwa stałe) na pompy ciepła. Po takiej wymianie temperatura zasilania starych grzejnikowych odbiorników ciepła umożliwiająca uzyskanie komfortu cieplnego byłaby zdecydowanie wyższa, a wartość COP spadłaby poniżej zakładanego (1,90) dla ogrzewania grzejnikowego w układzie 55/45°C (rys. 4). W efekcie powstałoby jeszcze większe zapotrzebowanie na energię elektryczną oraz wzrosłaby jej cena.
W sytuacji niekorzystnej obliczeniowa wartość COP może wynieść 1,58 dla temperatury zasilania 90°C oraz temperatury powietrza atmosferycznego wynoszącej -25°C. W sytuacji skrajnej może być jeszcze gorzej, gdyż tylko część instalowanych pomp ciepła spełnia wymogi ustanowione przed kryzysem na rynku energii przez branżę dostawców (np. wytyczne PORT PC).
Rysunek 4. Wartości COP dla pompy ciepła typu powietrze-woda współpracującej z ogrzewaniem grzejnikowym, źródło: Paweł Lachman, PORT PC
Istnieje duże prawdopodobieństwo, że niskie wartości temperatury powietrza atmosferycznego wystąpią w trakcie wieczornego szczytu zapotrzebowania na energię elektryczną. W tej sytuacji, dodatkowo pogorszonej niskimi wartościami temperatury otoczenia, znalazła się ostatniej zimy część Stanów Zjednoczonych, np. Teksas. Wówczas kumulacja niekorzystnych zdarzeń związanych m.in.
z dostawami gazu spowodowała przerwy w dostawach energii. W sytuacji skrajnej społeczeństwo byłoby więc pozbawione zarówno energii elektrycznej jak i ciepła.
Rozwiązanie problemu
Z powodu tarcz antyinflacyjnych w nadchodzącym sezonie grzewczym ceny energii dla gospodarstw domowych nie będą odzwierciedlać jej wartości. Planowanie inwestycji w elektroogrzewnictwo wymaga więc uwzględniania procesu dochodzenia do taryf dynamicznych w sezonie 2023/2024. Zastępowanie jednego źródła ciepła drugim bez refleksji będzie skutkowało wysokimi kosztami eksploatacyjnymi ogrzewania oraz niechęcią do pomp ciepła w przyszłości.
Rozwiązaniem problemu szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną mogą być magazyny ciepła powszechnie nazywane buforami lub zbiornikami buforowymi. Dzięki nim produkcja ciepła przestałaby być realizowana jedynie w ramach bieżącego zapotrzebowania na ciepło. W połączeniu z programowalnymi sterownikami zbiorniki buforowe umożliwiłyby zaplanowanie produkcji ciepła tak, aby zyskali wszyscy: zarządzający systemem elektroenergetycznym, producenci, instalatorzy oraz, przede wszystkim, użytkownicy pomp ciepła.
Producenci pomp ciepła lub inwestorzy chcący sprawić, żeby pompy ciepła działały sprawnie w różnych warunkach dzięki dodaniu bufora ciepła, mogą skorzystać z bogatej oferty polskich producentów zasobników ciepła o objętości od kilkuset (zastosowania domowe) do kilku tysięcy litrów (zastosowania zbiorowe lub przemysłowe) i pojemności cieplnej do 3000 kWh.
Zasobniki różnią się kształtem, wymiarami, liczbą wężownic, grubością izolacji, a także czynnikiem magazynującym i mogą mieć wiele dotychczas nieodkrytych zastosowań. Większe niż używane dotychczas zasobniki ciepła stanowią wsparcie dla pomp ciepła, które efektywnie funkcjonują na rynku energii elektrycznej. IEO opracował bazę danych z niemal tysiącem zasobników ciepła i buforów produkowanych przez 40 firm, które mogą współpracować także z pompami ciepła i de facto są samoistnymi magazynami energii.
artykuł sponsorowany
