Jak działa i ile zużywa prądu gruntowa pompa ciepła?
Pompa ciepła pozyskuje darmową energię z otoczenia. Jednak to nie oznacza, że jej eksploatacja nic nie kosztuje. Jak oszacować, ile prądu zużywa przykładowa pompa i co ma na to wpływ? Może to być istotne przy ocenianiu opłacalności inwestycji, a także pozwoli policzyć orientacyjne koszty eksploatacji pompy ciepła.
W tekście wyjaśniamy
- jak działa gruntowa pompa ciepła
- Ile zużywa prądu
- jak oszacować zużycie energii elektrycznej dla konkretnej pompy ciepła
- jakie czynniki wpływają na poziom miesięcznego zużycia prądu
Pompa ciepła jest źródłem ciepła, który do ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody użytkowej wykorzystuje energię zakumulowaną w otoczeniu. W przypadku pomp gruntowych może to być energia zgromadzona w gruncie lub wodach gruntowych. Jest to energia odnawialna, nieustannie uzupełniana przez środowisko, a więc nigdy się nie wyczerpie. Dodatkowo nie trzeba za nią płacić. To jednak nie oznacza, że pompa ciepła pracuje bezkosztowo i w ogóle nie zużywa energii elektrycznej. W poniższym tekście tłumaczymy, dlaczego w pracy pompy potrzebna jest energia elektryczna oraz od czego zależy zużycie prądu.
Pompa ciepła gruntowa – jak działa?
Każda pompa ciepła potrzebuje energii elektrycznej do funkcjonowania. Energia ta jest konieczna do zasilania sprężarki pompy ciepła, w której zachodzą procesy termodynamiczne, umożliwiające przekazywanie ciepła pozyskanego z gruntu (dolnego źródła ciepła) do instalacji grzewczej w budynku (górnego źródła ciepła). Energia elektryczna zużywana jest także przez pompy obiegowe wymuszające przepływ czynnika roboczego między dolnym źródłem ciepła a pompą ciepła, a także czynnika grzewczego w instalacji grzewczej. Im różnica temperatury między dolnym a górnym źródłem ciepła mniejsza, tym sprężarka pompy ciepła musi wykonać mniejszą pracę, a więc pobierze mniej energii elektrycznej. W uproszczeniu można stwierdzić, że im wyższa temperatura, jaką dostarcza do układu dolne źródło ciepła, a jednocześnie niższa temperatura na zasilaniu instalacji grzewczej, tym zużycie prądu pompy ciepła będzie mniejsze. Dobrze obrazują to wartości współczynników efektywności energetycznej COP dla różnych parametrów pracy systemu grzewczego.
Ile prądu zużywa pompa ciepła?
O efektywności urządzenia informuje współczynnik COP (Coefficient of Performance), który wyraża stosunek użytecznej mocy cieplnej do pobranej elektrycznej mocy napędowej sprężarki. Określa się go dla pomp gruntowych zgodnie z normą PE-EN 14511 dla konkretnych parametrów pracy dolnego i górnego źródła. Dzięki temu łatwiej porównać różne urządzenia ze sobą, bo oceniamy ich efektywność w analogicznych warunkach. W przypadku pomp gruntowych zakłada się, że temperatura dolnego źródła ciepła (czyli roztworu glikolu, zwanego też solanką, dopływającego do pompy ciepła) wynosi 0oC. Z kolei temperatura górnego źródła ciepła (czynnik roboczy, zwykle w instalacjach w budynkach jednorodzinnych jest to woda zasilająca instalację grzewczą) to standardowo 35oC, w przypadku systemów ogrzewania podłogowego (B0/W35) lub 55oC dla systemów grzejnikowych pracujących na niskim parametrze lub systemów mieszanych (B0/W55). Dla takich założeń mierzy się ilość wytworzonej energii cieplnej przez konkretną pompę ciepła i pobraną przez nią energię elektryczną. Po podzieleniu pierwszej wartości przez drugą otrzymujemy współczynnik COP.
Wartość COP jest określana dla konkretnego modelu pompy ciepła i zależy przede wszystkim od rozwiązań konstrukcyjnych zastosowanych w tym urządzeniu, między innymi sprężarki, ale także pomp obiegowych, zaworu rozprężnego. Na przykład sprężarki inwerterowe, stosowane w nowoczesnych modelach pomp ciepła, pozwalają na płynną regulację mocy, a to przekłada się na jej bardziej ekonomiczną pracę i mniejsze zużycie prądu. Gruntowe pompy ciepła wyróżniają się wysoką efektywnością energetyczną, przede wszystkim z uwagi na stabilną temperaturę dolnego źródła ciepła. Współczynnik efektywności COP może wynosić od powyżej 3 do blisko 5. To oznacza, że dostarczając do pompy 1 kWh energii elektrycznej można otrzymać od 3 do prawie 5 kWh energii cieplnej.
Jak już wspomnieliśmy, współczynnik COP oblicza się dla konkretnego punktu pracy, więc nie do końca odpowiada faktycznym warunkom, w jakim pracuje pompa ciepła. Zmieniają się one bowiem w ciągu sezonu grzewczego i całego roku. Dlatego bardziej miarodajny, bo obrazujący stosunek ilości energii przekazanej do instalacji grzewczej w ciągu określonego czasu do energii elektrycznej pobranej przez pompę ciepła w tym samym czasie, jest sezonowy współczynnik efektywności SCOP. Pozwala oszacować koszty eksploatacji pompy ciepła, a przede wszystkim ocenić ile prądu zużywa pompa ciepła o określonej mocy i konstrukcji, przy zmieniających się warunkach na przestrzeni całego roku.
Na podstawie współczynnika SCOP urządzenie zostaje zaliczane do określonej klasy energetycznej umieszczanej na etykiecie energetycznej, podobnie jak w przypadku sprzętu AGD. Gruntowe pompy ciepła należą najczęściej do bardzo wysokiej klasy A++ lub A+++, czyli są urządzeniami energooszczędnymi. Warto przy tym zauważyć, że klasa energetyczna będzie wyższa dla temperatury zasilania ogrzewania na poziomie 35oC niż 55oC, co jest logiczne, bo mniej energii potrzeba, a więc mniejsze jest zużycie prądu pompy ciepła, jeśli musi podgrzać wodę do niższej temperatury. Szczegółowy sposób testowania urządzenia przez producenta w celu wyznaczenia SCOP i w efekcie określenia jego klasy energetycznej opisane są w normie PN-EN 14825. Klasa energetyczna pompy ciepła odnosi się do podanej wartości obliczeniowego obciążenia cieplnego budynku w danej strefie klimatycznej.
Jak oszacować zużycie prądu dla danej pompy ciepła?
Współczynnik SCOP może posłużyć do oszacowania zużycia energii elektrycznej przez pompę ciepła w konkretnym budynku. Do obliczeń potrzebne są informacje na temat zapotrzebowania na ciepło na cele grzewcze i wynikająca z nich moc pompy ciepła. Zapotrzebowanie na ciepło uwzględnia standard energetyczny budynku, położenie w strefie klimatycznej, zakładaną temperaturę w pomieszczeniach. Ważne jest także, czy w budynku jest ogrzewanie podłogowe (niskotemperaturowe), które do zapewnienia komfortu cieplnego potrzebuje mniej energii cieplnej niż system z grzejnikami pracujący na wyższym parametrze zasilania. Ważne jest również to, czy pompa ciepła jest jedynym źródłem ciepła w budynku, czy podgrzewa także wodę użytkową, a na to wpływ ma liczba mieszkańców i zakładane zużycie c.w.u. Dane te można znaleźć na przykład w projekcie architektoniczno-budowlanym lub w świadectwie energetycznym. Aby oszacować zużycie prądu pompy ciepła, zapotrzebowanie na ciepło dzieli się przez SCOP. Otrzymuje się wynik w kWh. Oczywiście są to dane przybliżone, orientacyjne, choćby dlatego, że warunki atmosferyczne w kilku kolejnych latach mogą znacznie się różnić (łagodne lub mroźne zimy).
Zobaczmy na przykład, ile prądu zużywa pompa ciepła 8 kW. Wybraliśmy nowoczesną gruntową pompę ciepła ze sprężarką inwerterową. Według danych technicznych jej współczynnik COP to 4,5 (B0/W35).
Z kolei SCOP:
- dla układu zasilanego wodą o temperaturze 35oC (W35) jest na poziomie 4,86,
- dla układu zasilanego wodą o temperaturze 55oC (W55) – 3,97.
Pompę taką dobrano do niewielkiego budynku, zbudowanego zgodnie z obowiązującymi warunkami technicznymi, a więc dobrze zaizolowanego, w którym zapotrzebowanie na ciepło wynosi około 8000 kWh. Pompa ciepła gruntowa może być jedynym źródłem ciepła w budynku.
Przy dobraniu pompy ciepła 8 kW zużycie prądu będzie na poziomie:
- około 1650 kWh dla systemu grzewczego z zasilaniem 35oC
- 2015 kWh dla systemu grzewczego z zasileniem 55oC.
Są to oczywiście wartości szacunkowe. Jeśli pompa ciepła podgrzewa wodę użytkową, wtedy uwzględnia się jeszcze zapotrzebowanie na ciepło potrzebne do podniesienia temperatury wody. Zakłada się przy tym liczbę mieszkańców, zużycie wody w przeliczeniu na osobę, różnicę między zimną wodą a podgrzaną, np. 35oC. Dla trzech osób zapotrzebowanie to będzie na poziomie 2000 kWh w ciągu roku. Wówczas może się okazać, że trzeba dobrać urządzenie większej mocy, na przykład pompę ciepła 12 kW. Zużycie prądu będzie wówczas większe. Można je policzyć w analogiczny sposób, uwzględniając współczynniki SCOP dla pompy ciepła 12 kW.
Co ma wpływ na miesięczne zużycie prądu?
W praktyce to, ile energii elektrycznej będzie potrzebować pompa ciepła, zależy od wielu zmiennych czynników. Podczas całego roku miesięczne zużycie prądu przez pompę ciepła będzie się zmieniać. Zimą system będzie pracował zarówno na potrzeby ogrzewania, jak i ciepłej wody użytkowej, latem tylko na potrzeby c.w.u. Im zimy będą ostrzejsze, wystąpi większa liczba dni z ujemnymi temperaturami, tym system grzewczy będzie potrzebował więcej energii cieplnej do zapewnienia komfortu cieplnego w pomieszczeniach. Znaczenie ma również to, jaka temperatura będzie ustawiona w pomieszczeniach. Jedni czują się dobrze w 20oC, inni wolą 21-22oC. Podobnie różne może być realne zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową. Nawet przy takiej samej liczbie domowników może się to znacznie różnić. To wszystko przekłada się na zużycie prądu. Pompa ciepła musi być też prawidłowo dobrana, nie przewymiarowana, bo wówczas jej praca straci ekonomiczny sens.
