Efektywność energetyczna hybrydowego systemu ogrzewania budynku szkolnego z pompą ciepła w warunkach rzeczywistych. Studium przypadku.

Jacek Zimny, Piotr Michalak, Krzysztof Szczotka

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Systemów Energetycznych i Urządzeń Ochrony Środowiska

Nałęczów, 17.10.2012 r.

Trochę historii…

2

Zasada działania pompy ciepła znana jest od 1810 r., kiedy to szkocki naukowiec James Leslie skonstruował pierwszy absorpcyjny agregat chłodniczy.

W 1831 r. amerykański naukowiec Jacob Perkins opracował agregat sprężarkowy.

Pod koniec XIX w. uczeni zdali sobie sprawę, że urządzenia, które wymyślono do chłodzenia - mogą równie skutecznie dostarczać ciepło. Pierwsze prace teoretyczne w tym zakresie prowadził Wiliam Thomson (Lord Kelvin) - prekursor zastosowania PC do ogrzewania.

W 1928 r. T. G. Haldane zbudował pierwszą w Anglii instalację do ogrzewania domu opartą na amoniakalnym urządzeniu sprężarkowym.

Pompa ciepła jest to „urządzenie transportowe”, które darmowe ciepło ze środowiska naturalnego doprowadza do górnego źródła ciepła (np. c.o., c.w.u.) zwiększając jej poziom energetyczny możliwy do wykorzystania.

Rynek pomp ciepła w 2005 - 2010 r. w krajach UE

3

Rynek pomp ciepła w Polsce w 2011 r. (dane w szt.)

4

5

Regulacje prawne

W roku 2009 została przyjęta przez Parlament Europejski i Radę Dyrektywa 2009/28/UE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych. Krajowy Plan Działań (KPD) przyjęty prze Radę Ministrów 07.12.2010 r.: scenariusz pośredni zakłada, że w roku 2020 jedynie 2% ciepła i chłodu

(6,285 PJ) będzie dostarczane przez pompy ciepła; są one na końcu zestawienia, za biomasą (78%), energią słoneczną

(9%), biogazem (8%) oraz energią geotermiczną z głębi Ziemi (3%); brakuje oceny bieżącej sytuacji sektora pomp ciepła (np. pominięto

bardzo popularne pompy ciepła typu powietrze/woda); brak perspektyw rozwoju rynku oraz wpływu technologii pomp ciepła

na ogólne wykorzystanie OZE w gospodarce, a w szczególności w energooszczędnym budownictwie mieszkaniowym;

6

Regulacje prawne

Dyrektywa EPBD (The Energy Performance of Buildings Directive) 2002/91/UE oraz Recast 2010/31/UE wprowadza on pojęcie budynku o niemal zerowym zużyciu energii obiekt cechujący się bardzo wysoką efektywnością energetyczną energia powinna pochodzić w bardzo dużym stopniu ze źródeł

odnawialnych, w tym energii wytwarzanej na miejscu (energetyka rozproszona) i w takich obiektach pompy ciepła będą mieć potencjalnie duże możliwości zastosowania jako źródła ciepła i chłodu

dla budynków nowych przed rozpoczęciem budowy powinny zostać rozważone i wzięte pod uwagę, techniczne, środowiskowe i ekonomiczne możliwości realizacji wysoko efektywnych systemów alternatywnych

rosnące znaczenie wymagań efektywnościowych dla instalacji z pompami ciepła oraz dla budynków

7

Efektywność energetyczna pomp ciepła

COP (Coefficient of Performance) to współczynnik wydajności cieplnej pompy ciepła. Jest określany jako stosunek ciepła oddanego do ogrzewania, do energii napędowej doprowadzonej z zewnątrz. Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Gospodarki w sprawie wymagań w zakresie efektywności energetycznej wartość współczynnika COP dla sprężarkowych pomp ciepła nie może być mniejsza niż 2,4. To oznacza, że z każdej kilowatogodziny energii elektrycznej zużytej do napędu pompy otrzymamy nie mniej niż 2,4 kWh ciepła.

8

Efektywność energetyczna pomp ciepła

SPF (Seasonal Performance Factor) to sezonowy współczynnik wydajności. Uwzględnia on bilans energetyczny elementów dodatkowych, takich jak pompy obiegowe (dolnego i górnego obiegu) lub grzałki elektryczne w zasobniku ciepłej wody użytkowej, i ich wpływ na efektywność instalacji. Okresem rozliczeniowym jest 1 rok. Minimalna wartość SPF w krajach UE określana jest na podstawie Dyrektywy 2009/28/WE, i wynosi: SPF > 1,15 · 1/η gdzie: η to stosunek pomiędzy całkowitą produkcją energii elektrycznej brutto i pierwotnym zużyciem energii dla produkcji elektryczności, obliczany jako średnia UE oparta na danych Eurostat.

Wg danych Eurostatu za 2009 rok, η=0,438. Oznacza to, że minimalna wartość SPF=2,626. Wg danych GUS sprawność konwersji η=0,4079, a w roku 2010: η=0,4141, co daje SPF (2009 r.)=2,819 oraz SPF (2010 r.)=2,796.

9

Geneza powstania projektu / opis wybranego obiektu

Pomysł montażu pomp ciepła u odbiorców energii elektrycznej sprzedawanej przez Zakład Energetyczny w Tarnowie (ZET, obecnie Tauron Polska Energia o. w Tarnowie) powstał w 2001 r..

W 2002 r. Urząd Gminy w Wojniczu k. Tarnowa zaproponował Zespół Szkoły Podstawowej i Gimnazjum w Wielkiej Wsi położonej w dolinie Dunajca, na glebach gliniastych, bogatych w płytko położone złoża wody gruntowej.

Budynek Szkoły podstawowej w Wielkiej Wsi (Rys.), wybudowany został według technologii tradycyjnej przed 1987 rokiem. Jego powierzchnia użytkowa wynosi ok. 1107 m2, zaś kubatura 3538 m3.

10

Geneza powstania projektu / opis wybranego obiektu

łączne zapotrzebowanie na moc grzewczą 105,4 kW instalacja wewnętrzna c.o. projektowana ok. 105 kW i parametrów wody

grzewczej 90/70°C

Pierwotnie kotłownia składała się z kotła gazowego o mocy 145 kW oraz starego kotła węglowego (Rys.). Instalacja centralnego ogrzewania, wykonana była w układzie otwartym z rur stalowych, skorodowanych, wymagających wymiany. Grzejniki żeliwne wyposażone były w niesprawną armaturę grzejnikową.

Rys. Kotłownia przed modernizacją

11

Założenia techniczne oraz przeprowadzenie modernizacji

Podstawą przeprowadzonych analiz były faktury za gaz za okres 2000-2003 otrzymane z Urzędu Gminy w Wojniczu

Rys. Zapotrzebowanie Szkoły na gaz w okresie 2000-2003

12

Założenia techniczne oraz przeprowadzenie modernizacji

Średnio w ciągu roku kocioł gazowy dostarczał 565 GJ ciepła. Po przeprowadzeniu wstępnych analiz przygotowano biznes plan oraz studium wykonalności projektu modernizacji systemu grzewczego. Do celów obliczeniowych założono: szczytowe zapotrzebowanie na moc cieplną: 105,4 kW roczne zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania obiektu: 565 GJ sprawność kotła węglowego: 0,80 taryfa gazowa: W4 wartość opałowa gazu: 34,2 MJ/m3 typ pompy ciepła: VATRA 32T/1A1 moc cieplna 48,06 kW, COP = 3,15 moc pompy ciepła: 30 kW sprawność całego układu grzewczego = 2,62

13

Założenia techniczne oraz przeprowadzenie modernizacji

głównym założeniem doboru mocy pompy ciepła do obiektu szkoły była praca w podstawie zapotrzebowania

wydajność pompy ciepła zagwarantuje pokrycie zapotrzebowania na ciepło obiektu do temperatury zewnętrznej -5°C

długość sezonu grzewczego w tej strefie wynosi 222 dni (5 328 h) natomiast średnia temperatura 2,5°C, obserwacje temperatur z poprzednich lat wskazały, iż w ciągu sezonu grzewczego jest około 25 dni o średniej temperaturze dziennej poniżej -5°C

w przypadku wystąpienia dużego zapotrzebowania na ciepło włączany jest kocioł gazowy, który zapewnia ciągłość wymaganych dostaw ciepła

pompa ciepła będzie pracować jako podstawa zapotrzebowania z mocą ok. 30 kW i z roczną produkcją ciepła wynoszącą około 255 GJ

14

W analizach założono, iż: pompa ciepła będąca własnością Zakładu Energetycznego Tarnów zostanie

w 5 roku odsprzedana właścicielowi obiektu Na podstawie uzgodnień z UG przyjęto cenę ciepła z PC na 37 zł/GJ

(brutto), czyli o około 10% niższą niż dla ciepła dostarczonego z kotła gazowego (zapewniającą zwrot kosztów inwestycyjnych ZET)

średni dobowy prognozowany czas pracy pompy ciepła na przestrzeni sezonu grzewczego wynosił ok. 10 h

zwrot kosztów inwestycyjnych przy takich założeniach następował obliczeniowo po 9 roku eksploatacji

Założenia techniczne oraz przeprowadzenie modernizacji

15

założono, iż dolne źródło ciepła stanowić będzie kolektor płaski ułożony na terenie boiska i placu przyległego do szkoły, ze względu na plany budowy sali gimnastycznej wykonano studnie głębinowe

atutem była wykonana, ale nie używana studnia głębinowa na terenie szkoły oraz dane o pokładach wody (10-15 m p.p.t.) na obszarze doliny Dunajca

Układ warstw geologicznych: warstwa nieprzepuszczalna bogata w glinę sięgała do głębokości ok. 8

m p.p.t., następne 3,5 m to warstwa wodonośna zawierająca gruby żwir o bardzo dobrych parametrach filtracji i warstwa nieprzepuszczalnych iłów zaczynająca się na 12 m p.p.t.

wydajność złoża wody gruntowej: ponad 10 m3/h, wobec potrzeb pompy ciepła na poziomie 6 m3/h

Realizacja inwestycji / Dolne źródło

16

Po przeprowadzeniu procedur przetargowych wybrana została pompa ciepła OCHSNER Golf Maxi GMWW 38

czynnik roboczy R407C temperatura zasilania do 55°C wysokowydajnościowa sprężarka typu Scroll

z dwustopniowym wyrównaniem ciśnienia moc grzewcza 37,6 kW wymiennik płytowy z systemem rozdziału ulepszona obudowa dźwiękoszczelna zasilanie 380V

Punkt pracy Maks. temp. zasilania 55°C

W10/W35 Moc grzewcza 37,6 kW

COP 5,7

W10/W50 Moc grzewcza 34,7 kW

COP 3,7

Realizacja inwestycji / Pompa ciepła

17

Zastosowana modernizacja systemu grzewczego Szkoły

W celu zmniejszenia strat cieplnych w obiekcie, przeprowadzono najpierw wymianę stolarki okiennej.

Dalszym etapem prac była planowana modernizacja źródła ciepła i instalacji centralnego ogrzewania. Przewidziano także wymianę starych grzejników żeliwnych na stalowe płytowe.

18

Zastosowana modernizacja systemu grzewczego Szkoły

19

Eksploatacja i badania

Instalację oddano do użytkowania w styczniu 2005 roku. Obserwacje parametrów pompy ciepła w styczniu i lutym, kiedy występowały temperatury otoczenia sięgające -20°C, pokazały stabilność temperatury wody gruntowej oraz normalną pracę urządzenia. W okresach wysokiego zapotrzebowania na ciepło temperatura na wyjściu pompy ciepła osiągała 57°C.

Temperatura otoczenia i moc elektryczna sprężarki pompy ciepła od 1.I do 30.IV 2005 roku

20

Wyniki eksploatacji styczeń-marzec 2005 r. : średni współczynnik efektywności wyniósł COP=3,25, współczynnik SPF dla systemu, po uwzględnieniu energii zużytej przez

pompy obiegowe (dolnego i górnego obiegu) wyniósł 2,93 W I kwartale 2005 roku zużyto 5 597 kWh energii. Pobór energii elektrycznej przez system grzewczy z pompą ciepła 20 571 kWh. Zapotrzebowanie pompy ciepła na moc, według pomiaru rzeczywistego, przebiegało równomiernie w ciągu doby na średnim poziomie 9,8 kW.

Eksploatacja i badania

21

Eksploatacja i badania

Na podstawie stawek określono koszt energii dla poszczególnych taryf.: 8 812,15 zł dla C11 7 648,54 zł dla C12A 8 011,30 zł dla C12B

Zatem wybór taryfy C12A był uzasadniony.

Zastosowanie nowego systemu ogrzewania spowodowało ponad czterokrotny wzrost sprzedawanej energii elektrycznej dla szkoły.

22

Wyniki ekonomiczne za 2005 rok

redukcja kosztów ogrzewania budynku szkoły

koszt gazu na cele grzewcze wyniósł 17 990 zł/rok

zużycie gazu spadło z przeciętnej wartości ok 20 000 m3 do poziomu ok. 4 200 m3, z tego dla potrzeb c.o. do ok. 2 320 m3

zmieniono taryfę gazową z W4 na W3, gdzie udział kosztów stałych jest znacznie mniejszy

dostawa ciepła odbywała się w sposób ciągły przez 24 h/dobę (w miesiącach typowo zimowych), wyniosła 458 GJ

spadek kosztów przeznaczonych na cele centralnego ogrzewania o ok. 9,2%, pomimo produkcji ciepła większej o 22 GJ

okres zwrotu zainwestowanych nakładów poniżej 7 lat

23

Współczynniki COP oraz SPF dla badanej instalacji w latach 2005-2009

24

Wyniki ekonomiczne za okres styczeń 2005 – grudzień 2009 PODSUMOWANIE

Kilkuletni okres eksploatacji potwierdził dobre parametry energetyczne systemu grzewczego wyrażone wartością współczynnika SPF.

Pompa ciepła pracuje w stosunkowo niekorzystnych warunkach energetycznych. Górnym źródłem ciepła jest bowiem instalacja klasycznych grzejników płytowych, wymagających zasilania wodą o temperaturze powyżej 40°C, co powoduje pracę pompy ciepła z niższą sprawnością.

Wartość średnia współczynnika SPF dla miesięcy grzewczych za okres od stycznia 2005 do grudnia 2009 wyniosła SPF=3,13 (wg Dyrektywy 2009/28/UE min. SPF = 2,626)

Wartość średnia COP wyniosła przy tym COP=3,467

Spadek zużycia gazu o ponad 75% rocznie i możliwość przejścia na taryfę z niższymi kosztami stałymi (o 4%)

25

Literatura

1) Blue Book on Geothermal Resources, “A Strategic Plan for the Development of European Geothermal Sector”, Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 1999

2) Commission Decision of 9 November 2007 establishing the ecological criteria for the award of the Community eco-label to electrically driven, gas driven or gas absorption heat pumps, (notified under document number C(2007) 5492), 2007/742/EC, Official Journal of the European Union , L 301/14, 20.11.2007

3) Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council of 23 April 2009 on the promotion of the use of energy from renewable sources and amending and subsequently repealing Directives 2001/77/EC and 2003/30/EC

4) Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings (recast), Official Journal of the European Union, L 153/13, 18.6.2010

5) Energy Policy of Poland until 2030, Appendix to Resolution no. 202/2009 of the Council of Ministers of 10 November 2009, Ministry of Economy, Warsaw, 10 November 2009,

6) Energy Statistics 2009 2010. Statistical Information and Elaborations, Central Statistical Office, Warszawa 2011, Publication available on www.stat.gov.pl

7) Grochal B.J., Mania T.: Heat pump market in Poland (in Polish), Seminar "Installation and heating industry in Poland - 2009 and What Next? ", International Trade Fair for Installations - INSTALLATIONS 2010, Poznań 26 - 29 IV 2010

8) Grochal B.: Instruments to support the development of heat pump market (in Polish), Workshop on "Effectiveness of support systems heat and cooling from renewable energy sources in Poland and other countries", Warszawa, 29 April 2010

9) Grochal B.: What next for heat pumps? (in Polish), XI edition of the Renewable Energy Forum, Poznań International Fair, Poznań, 22-24.11.2011

10) Kapuściński J., Rodzoch A.: Low-temperature Geothermal Energy in Poland - current status and prospects of development (in Polish), Warszawa, October 2006

26

Literatura

11) Kapuściński J., Rodzoch A.: Low-temperature Geothermal Energy in Poland and the world - current status and prospects for development: technical considerations, environmental and economic conditions (in Polish), Warszawa, 2010

12) Kubski P.: The heat under control? National action plan for energy from renewable sources (in Polish), Magazyn Instalatora, nr 7-8 (143-144), July-August 2010

13) Lund J.W.: Characteristics, Development and Utilization of Geothermal Resources, Geo-Heat Center, Oregon Institute of Technology

14) National Renewable Energy Action Plan (in Polish), Ministry of Economy, Warszawa 2010 r. 15) Oczoś A.: Polish experience in the heat pumps market, perspectives of development, Polish Organization of

Development the Heat Pumps Technology, Brussels 18.10.2011 16) Projection of Demand For Fuels and Energy Until 2030, Appendix 2 to draft “Energy Policy of Poland until 2030”,

Ministry of Economy, Warsaw, 10 November 2009 17) Smuczyńska M.: Heat pump market in Poland. The structure of sales by manufacturers, types of heat pumps (in

Polish), Instal Reporter, luty, 2011 18) Wiśniewski G. (red.): Analysis of the development of production facilities for renewable energy in Poland, for

domestic purposes and for export (in Polish), Warszawa, November 2010, EC BREC IEO 19) Zimny J., Michalak P.: The work of a heating system with renewable energy sources (RES) in school building,

Environment Protection Engineering, vol. 34, no. 1, 2008, s.81-88. 20) Zimny J., Michalak P., Szczotka K.: Ecological school building heating using a hybrid heating system: heat pump

and gas boiler: the concept, implementation, operation. Polish Journal of Environmental Studies, 2011, vol. 20 no. 4A s. 351–355.

21) Zimny J., Szczotka K.: Heat pump and gas boiler - the concept, execution, operation: ecological heating of the school building with the use of a hybrid heating system (in Polish), Energia i Budynek, 2012 R. 6 nr 5 s. 44–48.

Efektywność energetyczna hybrydowego systemu ogrzewania budynku szkolnego z pompą ciepła. Studium przypadku

Jacek Zimny, Piotr Michalak, Krzysztof Szczotka

Dziękuję za uwagę

Nałęczów, 17.10.2012 r.