W artykule opisane zostało co to jest współczynnik COP pompy ciepła i od czego zależy. Pokazałam dlaczego koszty eksploatacyjne pompy ciepła gruntowej i powietrznej, przy tym samym systemie ogrzewania (podłogowym) są inne, z czego wynika różnica i jaka ona może być w ciągu roku, opierając się na symulacjach dla przykładowego budynku. Pokazałam koszty eksploatacyjne również dla innych źródeł ciepła w porównaniu z pompą ciepła.
COP pompy ciepła - współczynnik efektywności
COP pompy ciepła to bardzo znany parametr tego typu urządzeń, jednak nie wszyscy potencjalni klienci zainteresowani pompami ciepła wiedzą co ten parametr dokładnie oznacza. Skrót COP pochodzi z angielskiego „coefficient of performance” i oznacza współczynnik efektywności urządzenia typu pompa ciepła. Jest obliczany jako stosunek energii cieplnej wytworzonej do energii elektrycznej pobranej:
Wartość ilości energii cieplnej wytworzonej (Qg) to suma pobranej energii elektrycznej, napędzającej pompę ciepła (Pel) i energii cieplnej dostarczonej z otoczenia – tej „darmowej”, odnawialnej (Rysunek 1). Na poniższym przykładzie (Rysunek 2) widzimy, że aby wygenerować 5kW mocy grzewczej, pompa ciepła może przykładowo pobierać 1kW mocy elektrycznej z sieci do napędu urządzenia i 4kW mocy cieplnej pochodzącej z otoczenia – odnawialnego źródła (na przykład: gruntu, powietrza).
Współczynnik COP pompy ciepła wynosi zazwyczaj pomiędzy 3, a 5. W przykładzie (Rysunek 2) wynosi 5.
Dokładna wartość współczynnika COP zależy od parametrów dolnego i górnego źródła ciepła. Dolne źródło pompy ciepła to glikol – w przypadku gruntowej pompy ciepła i powietrze – w przypadku pompy ciepła powietrze-woda. Im wyższa temperatura dolnego źródła ciepła tym wyższą wartość COP pompa ciepła uzyska, więc im wyższa temperatura powietrza/glikolu z gruntu tym lepiej dla efektywności działania urządzenia. Z drugiej strony patrząc na górne źródło ciepła, jest to system grzewczy, czyli woda, która trafi do grzejników/ ogrzewania podłogowego. W tym przypadku współczynnik COP jest tym wyższy im niższe są parametry temperaturowe pracy górnego źródła. Zatem korzystniejsza jest praca pompy ciepła z systemem niskotemperaturowym – zazwyczaj, w praktyce, podłogowym. Można to zrozumieć tak, że im mniejsza jest różnica pomiędzy temperaturą dolnego i górnego źródła tym mniejszą pracę pompa ciepła musi wykonać i co za tym idzie efektywność jej pracy jest większa.
Inwestorzy planujący zakup pompy ciepła mają do rozważenia z jakiego dolnego źródła będą korzystać – czy będzie to grunt w przypadku pomp ciepła ziemia-woda, czy będzie to powietrze – przy wyborze pomp ciepła powietrze- woda. Każde z rozwiązań ma swoje zalety i wady, które postaram się przybliżyć w artykule. Z drugiej strony inwestor musi przemyśleć z instalatorem sprawę górnego źródła. W przypadku nowo powstających budynków inwestorzy decydujący się na pompę ciepła wybierają ogrzewanie niskotemperaturowe, czyli zazwyczaj podłogowe, bo takie rozwiązanie zapewni im najlepszą efektywność pracy systemu grzewczego z pompą ciepła. W przypadku modernizacji instalacji grzewczej często mamy do czynienia z ogrzewaniem grzejnikowym wysokotemperaturowym. W tej sytuacji inwestor musi rozważyć, czy decyduje się na pracę pompy ciepła z grzejnikami wymagającymi wysokich temperatur – przez to będzie tracił na efektywności pracy urządzenia, czy też wybrać modernizację systemu grzejnikowego – czyli wymianę grzejników na bardziej dostosowane do pompy ciepła (o większej powierzchni wymiany ciepła, na przykład duże trzypłytowe grzejniki) lub wymianę grzejników na ogrzewanie niskotemperaturowe podłogowe/ścienne (co jest związane z poważniejszym remontem w zamieszkanym już domu). Warto też wspomnieć, że niektóre systemy wysokotemperaturowych grzejników nie mogą pracować z pompą ciepła bez przeprowadzenia modernizacji. Na przykład, gdy straty ciepła z budynku są wysokie, a grzejniki wymagają wysokich parametrów zasilania, warto w pierwszym kroku wykonać termomodernizację budynku, a potem dopiero dokonywać modernizacji w systemie grzewczym.
Przeglądając ulotki i katalogi producentów pomp ciepła zawsze przy wartości COP podawany jest punkt pracy urządzenia, dla którego ta wartość została określona. Dla pomp ciepła gruntowych może być to przykładowo COP dla B0W35 lub B10W55. Przybliżę jak rozszyfrować takie oznaczenia. „B” pochodzi od angielskiego „brine” czyli solanki/glikolu, „W” pochodzi od „water” (woda), zatem B0W35 będzie oznaczało, że podana wartość COP jest dla parametrów pracy pompy ciepła: gilkol na wejściu do pompy ciepła 0oC, a woda na wyjściu z pompy ciepła 35oC. Dla pomp ciepła powietrze woda stosuje się oznaczenia na przykład A7W35, A-10W55, co analogicznie będzie oznaczało „A” – „air” – powietrze i „W” – „water” – woda. Zatem A-10W55 należy rozumieć jako parametry pracy dla powietrza zewnętrznego -10oC i woda na wyjściu z pompy ciepła 55oC. Tak jak wspomniałam wyżej wartość COP zależna jest właśnie od parametrów dolnego i górnego źródła, zatem podana wartość musi zawsze odnosić się do konkretnych warunków pracy urządzenia – należy na to zwrócić uwagę przy porównywaniu urządzeń. Na przykładowych charakterystykach dla pompy ciepła gruntowej i powietrznej można zaobserwować zmienność wartości COP (Rysunek 3 i Rysunek 4).
Oprócz współczynnika COP, który jest wartością chwilową (dla danych parametrów), w tematyce pomp ciepła spotykany jest również współczynnik SCOP – co oznacza nic innego, jak sezonowe COP, czyli średnią sezonową efektywność pompy ciepła. SCOP uwzględnia zmienne parametry górnego i dolnego źródła w ciągu całego roku.
SCOP może również uwzględniać elementy systemu grzewczego, na przykład prąd potrzebny do napędu pomp obiegowych ogrzewania, jednak w analizie dla uproszczenia skupimy się na typowym współczynniku SCOP samej pompy ciepła.
Wartości SCOP dla pompy ciepła powietrznej wynoszą zazwyczaj:
- Dla ogrzewania podłogowego ok. 4–4,5
- Dla ogrzewania grzejnikowego ok 3–3,5 Natomiast wartości SCOP dla gruntowej pompy ciepła wynoszą zazwyczaj:
- Dla ogrzewania podłogowego ok. 4,3–5
- Dla ogrzewania grzejnikowego ok 3,5–4
Zatem generalnie patrząc pod kątem efektywności najlepszym wyborem wydaje się gruntowa pompa ciepła z ogrzewaniem podłogowym. Wynika to z faktu, iż glikol ogrzewający się w gruncie ma średniorocznie wyższą temperaturę, niż zewnętrzne powietrze atmosferyczne, którego temperatura spada skrajnie do np. -20oC. Jednakże większość sprzedawanych pomp ciepła na rynku to właśnie pompy ciepła powietrze- woda. Postaram się w dalszej części artykułu wyjaśnić z czego wynikają te wybory inwestorów.
Zalety i wady każdego z rozwiązań – dlaczego klienci wybierają dane rozwiązanie?
Przy wyborze gruntowej pompy ciepła inwestor musi liczyć się z poniesieniem dużo większych kosztów inwestycyjnych, wynika to z konieczności wykonania dolnego źródła ciepła w postaci odwiertów pionowych lub wymiennika poziomego (Rysunek 5). W rurach wymiennika gruntowego krąży glikol, który pobiera ciepło z gruntu i trafia do pompy ciepła, by tam oddać pozyskane ciepło. Koszty wymiennika gruntowego mogą sięgać dla typowego domu jednorodzinnego 15–25 tysięcy złotych. Droższa w realizacji jest wersja pionowa wymiennika – odwierty, ale też nieco bardziej efektywna, bo zapewniająca bardziej stabilną temperaturę przez cały rok. Wykonanie wymiennika gruntowego wymaga też odpowiedniego terenu, który może zostać zagospodarowany, wiąże się też z większymi formalnościami.
Dla pomp ciepła powietrze-woda nie jest konieczne wykonywanie dolnego źródła, gdyż jednostka pozyskuje ciepło wprost z powietrza zewnętrznego, które ją otacza. Zatem niższe koszty inwestycyjne pompy ciepła powietrze-woda i łatwość jej montażu wpływają na większą popularność tego rozwiązania, mimo nieco gorszej sprawności sezonowej. Sprawność sezonowa pompy ciepła powietrze-woda będzie niższa, jednak w przypadku energooszczędnych budynków o niskim zapotrzebowaniu cieplnym czas zwrotu inwestycji w gruntową pompę ciepła może okazać się długi. W tych rozważaniach zawsze też należy brać pod uwagę dostępne dofinansowania, które mogą wpłynąć znacznie na analizę opłacalności dla inwestora.
Oprócz wyższej sprawności, zaletą pompy ciepła gruntowej jest brak szumiącego wentylatora i brak narażenia na zewnętrzne warunki atmosferyczne. Wadą jest jednak konieczność wygospodarowania na nią miejsca w budynku. Wadą powietrznej pompy ciepła jest zagrożenie zamarznięciem w przypadku wersji monoblokowej i generowany przez nią hałas. Jednak przy odpowiednim jej montażu z zachowaniem wytycznych producenta nie będzie ona uciążliwa dla użytkowników. Każde z rozwiązań ma swoje wady i zalety, każdy przypadek należy rozpatrywać indywidulanie, jedno jest pewne – inwestor tylko wtedy będzie zadowolony z rozwiązania, jeżeli jednostka pompy ciepła, czy gruntowa czy powietrzna, będzie poprawnie dobrana i zamontowana w budynku. To najistotniejszy aspekt, bo różnice w kosztach eksploatacyjnych dla budynków o niskim zapotrzebowaniu cieplnym nie są duże.
Przykłady symulowanych kosztów eksploatacyjnych w zależności od wybranego rozwiązania
Poddamy analizie budynek zlokalizowany w Krakowie, o powierzchni ogrzewanej 150m2 i projektowym obciążeniu cieplnym 7,5kW z ogrzewaniem podłogowym, zamieszkiwanym przez 4 osoby (zużycie ciepłej wody użytkowej ok. 200 l/dobę). Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania tego budynku wg symulacji to 11848 kWh ciepła – tyle ciepła będzie musiało być dostarczone do budynku w czasie sezonu grzewczego. Dodatkowo na potrzeby ogrzewania wody użytkowej potrzebne jest około 3363kWh w ciągu roku. Łącznie zatem potrzebne na cele budynku będzie ok. 15000 kWh. Poddamy analizie, ile pompa ciepła pobierze energii elektrycznej na potrzeby tego ogrzewania.
Rozkład energii cieplnej potrzebnej do ogrzewania budynku i ciepłej wody użytkowej w ciągu roku wg symulacji przedstawia się jak na Rysunku 6.
- Pompa ciepła powietrzna
Pompa ciepła powietrzna pobierze według symulacji3 na cele ogrzewania ok. 2468kWh oraz 1051kWh na cele ciepłej wody użytkowej. Przeciętna średnia miesięczna temperatura dolnego źródła, czyli powietrza, będzie wahała się w granicach -5 do +17oC. SCOP wyniesie 4,32. - Pompa ciepła gruntowa z wymiennikiem pionowym (odwierty)
Pompa ciepła gruntowa z wymiennikiem w postaci odwiertów pionowych, według symulacji3, pobierze na cele ogrzewania ok. 2300kWh oraz 1000kWh na cele ciepłej wody użytkowej. Średnia temperatura glikolu z dolnego źródła będzie się zmieniała w granicach 0-8oC. SCOP wyniesie 4,63. - Pompa ciepła gruntowa z wymiennikiem poziomym
Pompa ciepła gruntowa z wymiennikiem poziomym, według symulacji3, pobierze na cele ogrzewania ok. 2300 kWh oraz 1087 kWh na cele ciepłej wody użytkowej. Średnia temperatura glikolu z dolnego źródła będzie się zmieniała w granicach -3 do 15oC. SCOP dla tego rozwiązania wyniesie 4,49.
Analizując to pod względem kosztów eksploatacyjnych, zakładając koszt 1kWh równy 1,02zł, otrzymamy następujące wartości:
- Pompa ciepła powietrzna: 3519kWh, czyli 3589zł
- Pompa ciepła gruntowa z wymiennikiem pionowym (odwierty): 3287kWh, czyli 3353zł
- Pompa ciepła gruntowa z wymiennikiem poziomym: 3389kWh, czyli 3457zł
Zatem jak wcześniej przedstawiano największą efektywność, największe SCOP, ma pompa ciepła z wymiennikiem pionowym, co przekłada się na najniższe koszty eksploatacji według symulacji. Jednak to rozwiązanie wiąże się również z najwyższymi kosztami inwestycyjnymi na początku. W analizie założono cenę energii elektrycznej na poziomie 1,02zł za 1kWh, oczywiście, jeżeli cena energii wzrośnie, to różnice w kosztach eksploatacji będą większe, co będzie działało na korzyść gruntowej pompy ciepła. Jednak każde z rozwiązań cechuje się tak naprawdę niskim zużyciem energii elektrycznej. Gwarantuje to ogrzewanie niskotemperaturowe. Jeżeli podobną analizę przeprowadzić by dla ogrzewania grzejnikowego (wysokotemperaturowego), to wartości współczynników SCOP byłyby niższe, a przez to też wyższe byłyby poziomy zużycia energii, tym samym wyższe koszty eksploatacyjne. Tym bardziej uwydatni się różnica jeżeli weźmiemy pod uwagę obiekty o większym zapotrzebowaniu cieplnym.
Biorąc pod uwagę, że dla analizowanego budynku było konieczne wygenerowanie 15211kWh ciepła, to zakładając SCOP=3, energia pobrana do napędu pompy ciepła wyniosłaby w tym przypadku: 5070kWh, co daje koszty eksploatacyjne: 5172zł. Natomiast przy SCOP=4, pompa ciepła pobrałaby 3803kWh, co daje koszty eksploatacji: 3879zł.
Porównanie pompy ciepła do innych źródeł ciepła
Pompa ciepła niezależnie od rodzaju okazuje się dla energooszczędnych budynków z ogrzewaniem podłogowym najtańszym rozwiązaniem pod kątem kosztów eksploatacji. Załóżmy ceny nośników energii zgodnie z Tabelą 1.
Zakładając, że potrzebujemy wygenerować 15211kWh ciepła to koszty w zależności od nośnika energii będą przedstawiać się jak w Tabeli 2. Wyniki dodatkowo zebrano na Rysunku 7.
Pompa ciepła jest na pewno jednym z najtańszych w eksploatacji źródeł ciepła, jednak nie jest najtańszym wyborem pod kątem inwestycyjnym. Aby cieszyć się niskimi kosztami eksploatacji pompy ciepła musimy zadbać, by pracowała z jak najlepszą efektywnością, zatem system grzewczy powinien być dostosowany do niskich parametrów pracy. Jeżeli zdecydujemy się na pompę ciepła w połączeniu z ogrzewaniem wysokotemperaturowym, to koszty eksploatacyjne będą nieco wyższe, ze względu na niższe SCOP. Najwyższe SCOP zapewni nam ogrzewanie niskotemperaturowe, a najniższe koszty eksploatacji zapewni nam wysoki standard izolacji budynku, który przełoży się na niskie zapotrzebowanie cieplne.
Źródła:
[1] ABC pomp ciepła Galmet- Julia Sobaszek
[2] https://galmet.com.pl/uploads/productfiles/instrukcja-instalacji-i--konserwacji-airmax3-pl-03042024.pdf
[3] Symulacja z firmy Galmet