Pompy ciepła w… dyrektywie (1). Efektywna definicja

Jednym znanym od dawna sposobem zagospodarowania energii z zasobów odnawialnych jest stosowanie pomp ciepła (pomp grzejnych). Choć dyrektywa o promocji OZE poświęcona jest szeroko rozumianemu promowaniu energii ze źródeł odnawialnych, to jednak w niektórych zapisach odnosi się również do problematyki zawiązanej z tymi urządzeniami. Istotne fragmenty dyrektywy poświęcone są ważnemu problemowi, jakim jest stosowanie pomp ciepła spełniających warunek efektywności energetycznej, gdyż tylko takie pompy – wg dyrektywy – wykorzystują zasoby energii odnawialnej.

Informacje podstawowe Poniżej przytoczono ważniejsze definicje poszczególnych odnawialnych zasobów energii, zawartych w dyrektywie. Już wstęp do dyrektywy formułuje ogólne zadanie: Konieczne jest określenie przejrzystych i jednoznacznych zasad obliczania udziału energii ze źródeł odnawialnych i definiowania takich źródeł. Wśród nich znalazło się ważna definicja określająca energię ze źródeł odnawialnych. Definicja ta ma charakter enumeratywny, bowiem wskazuje określone źródła, tworząc ich zamknięty zbiór. Oznacza ona energię z odnawialnych źródeł niekopalnych, a mianowicie energię wiatru, energię promieniowania słonecznego, energię aerotermalną, geotermalną i hydrotermalną i energię oceanów, hydroenergię, energię pozyskiwaną z biomasy, gazu pochodzącego z wysypisk śmieci, oczyszczalni ścieków i ze źródeł biologicznych (biogaz).A zatem, wbrew potocznej opinii, urządzenia techniczne typu pompa ciepła, nie zostały zaliczone do odnawialnych źródeł energii. Nawiasem mówiąc, autor niniejszej publikacji wyraźnie rozróżnia pojęcie zasobu energii od źródła energii, za które uznaję technologię umożliwiającą wykorzystanie określonego zasobu energii odnawialnej.
Po tej ogólnej definicji kolejno następują uściślenia dotyczące wskazanych przypadków:
* energia aerotermalna oznacza energię magazynowaną w postaci ciepła w powietrzu w danym obszarze;
* energia geotermalna oznacza energię składowaną w postaci ciepła pod powierzchnią ziemi;
* energia hydrotermalna oznacza energię składowaną w postaci ciepła w wodach powierzchniowych;
* biomasa oznacza ulegającą biodegradacji część produktów, odpadów lub pozostałości pochodzenia biologicznego z rolnictwa (łącznie z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych działów przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, a także  ulegającą biodegradacji część odpadów przemysłowych i miejskich;
* biopłyny oznaczają ciekłe paliwa dla celów energetycznych, innych niż w transporcie, w tym do wytwarzania energii elektrycznej oraz energii ciepła i chłodu,  produkowane z biomasy;
* biopaliwa oznaczają ciekłe lub gazowe paliwa dla transportu, produkowane z biomasy.
Wydaje się, że pojęcie energii aerotermalnej zostało jakby specjalnie wprowadzone dla potrzeb określenia zasobu odnawialnego niezbędnego dla zasilania dolnego źródła pomp ciepła (pomp grzejnych), dla których takim zasobem może być również powietrze atmosferyczne.
Przy bliższym określaniu pojęć energii aerotermalnej, geotermalnej i hydrotermalnej również użyto mało precyzyjnego pojęcia typu energia składowana w postaci ciepła. Faktycznie, energia może być magazynowana (składowana), ale jej wykorzystanie może nastąpić np. na sposób ciepła. Nie można bowiem magazynować sposobu przekazywania energii.

Zasady rozliczania energii Pompy ciepła mogą służyć do zagospodarowania niektórych zasobów przemysłowej energii odpadowej lub energii odnawialnej, np. wskazanej już uprzednio w definicjach dyrektywy. Pobrane zasoby bezwartościowej energii w pompie ciepła powiększone o dostarczaną do niej niezbędną energię napędową, zostają przekazane – jako ich suma – do jej górnego źródła ciepła. Z kolei inny nośnik energii przepływając przez górne źródło pompy uzyskuje stosowny przyrost temperatury możliwy do użytecznego wykorzystania w odpowiedniej instalacji współpracującej z tą pompą. Taki proces wymaga zastosowania jednak wysoko jakościowej energii napędowej, którą najczęściej jest energia elektryczna stosowana w sprężarkowych pompach ciepła. Jako energia napędowa bywa stosowana również energia zawarta w nośniku o odpowiedniej temperaturze, przekazującym ją na sposób ciepła do absorpcyjnej pompy ciepła. Jednak wskazana technologia energetyczna oparta na pompach ciepła, wbrew oczekiwaniom ich niektórych zwolenników, nie została expresis verbis zaliczona do odnawialnych źródeł energii. Bo i nie mogła.
We wstępie do dyrektywy znalazło się więc oczywiste stwierdzenie, że pompy ciepła umożliwiające wykorzystanie ciepła (aerotermalnego, goetermalnego lub hydrotermalnego) na użytecznym poziomie temperatury potrzebują energii elektrycznej lub innej energii dodatkowej do funkcjonowania. Ale następny fragment dyrektywy podaje zasadę: energia używana do zasilania pomp ciepła powinna być odejmowana od całkowitego użytecznego ciepła. A zatem do efektu użytecznego stosowania pompy ciepła należy zaliczyć jedynie energię pobraną w jej dolnym źródle ciepła – właśnie z określonego zasobu energii odnawialnej lub od otoczenia – na sposób ciepła, bowiem taką wartość energii otrzymuje się po odjęciu od ciepła grzejnego uzyskiwanego w górnym źródle – wartości wykorzystanej energii napędowej. W żadnym przypadku nie może to być ciepło użyteczne uzyskane w górnym źródle ciepła pompy ciepła.
Ważnym kolejnym fragmentem dyrektywy jest zapis w pochodzący z art. 5, by uwzględniać jedynie pompy ciepła, których wydajność znacząco przekracza pierwotną energię potrzebną do ich zasilania. Dlatego też załącznik VII podaje szczegółowe zasady określania ilości energii aerotermalnej, geotermalnej lub hydrotermalnej pobranej przez pompy ciepła, a uznawanej za energię ze źródeł odnawialnych, dla celów niniejszej dyrektywy. Załącznik podaje zależność wynikową, ale zostanie ona tutaj poprzedzona stosownym wyprowadzeniem, wyjaśniającym jej sens fizyczny. Wykorzystane tutaj zostaną typowe oznaczenia stosowane w termodynamice.
Z bilansu energetycznego pompy ciepła wynika związek, w którym energia wyprowadzona w górnym źródle ciepła tej pompy Qg jest sumą energii pobranej w dolnym źródle ciepła Qd oraz zastosowanej energii napędowej N, co można zapisać jako:
Qg = Qd + N lub też Qd = Qg – N (1)
czyli Qd = Qg * (1 – N/Qg) (2)
Definicja efektywności energetycznej pompy ciepła ε, która wyraża stosunek efektu, czyli energii wyprowadzanej z górnego źródła ciepła Qg , do nakładu, czyli energii napędowej N, może być zapisana jako:
ε = Qg/N (3)
Definicja efektywności energetycznej pozwala więc przedstawić zapis równania (2) bilansu energii w postaci zależności:
Qd = Qg * (1 – 1/ε) (4)
Właśnie tej treści zapis, jednak przy użyciu nieco innych oznaczeń, pojawia się w załączniku VII. Energię pobraną z dolnego źródła oznaczono literami ERES, użytkowe ciepło grzejne dostarczone przez pompę ciepła oznaczono symbolem Qusable, zaś symbol SPF (Seasonal Performance Factor) oznacza szacunkowy przeciętny współczynnik efektywności energetycznej instalacji, w której pracuje pompa ciepła. A zatem, zgodnie z treścią załącznika:
ERES = Qusable * (1–1/SPF) (5)
Wzór (5) pozwala wyznaczyć ilość energii pobranej w dolnym źródle ciepła przez pompę grzejną, czyli właśnie ERES, gdy znamy wartość dostarczonego do instalacji ciepła użytkowego oraz wartość sezonowego współczynnika efektywności energetycznej SPF dla pompy ciepła.
Warto podkreślić, że współczynnik SPF różni się, nieraz i znacznie, od wartości współczynnika efektywności energetycznej COP (Coefficient of Performance), ustalanej w warunkach laboratoryjnych przez producenta pompy. Producent ustala charakterystykę energetyczną samej pompy ciepła w określonych warunkach termicznych, głównie wyznaczonych stałą mocą napędową i przy stałych wartościach temperatury dolnego i górnego źródła ciepła. Wynik takiego badania podawany jest w postaci współczynnika COP, którego krajowym odpowiednikiem jest wcześniej zastosowany symbol ε, czyli współczynnik efektywności energetycznej pompy ciepła. Natomiast współczynnik SPF zależy od poboru energii przez całą instalację, bowiem uwzględnia również nakład energii niezbędny dla pracy urządzeń pomocniczych (np. pomp lub wentylatorów wymuszających obieg czynnika w górnym i dolnym źródle ciepła) pompy ciepła. Obejmuje także sezonową zmienność wartości współczynnika COP, zależną wszak od zmiennych wartości temperatury obu płynów w źródłach ciepła, a szczególnie zmienną w sezonie temperaturę jej górnego źródła.
Jednak równanie (5) dotyczy wszystkich pomp ciepła i co ważniejsze nie oddaje jeszcze wymagań stawianych pompom ciepła w dyrektywie.
W ogrzewnictwie rozpowszechniły się sprężarkowe pompy ciepła, różniące się istotnie rodzajem energii napędowej od absorpcyjnych pomp, które – jako znacznej mocy – są najczęściej stosowane w scentralizowanym ciepłownictwie. Nasze rozważania będą więc dotyczyć jednie sprężarkowych pomp ciepła.
Piotr Kubski

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf  pdf

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij