Pompa ciepła i ogniwa fotowoltaiczne - cykl 2 x ECO

Pompa ciepła to urządzenie pozwalające na pozyskiwanie energii ze źródeł o niższej temperaturze (środowisko) do ogrzewania pomieszczeń i ciepłej wody. Pompa może też chłodzić dom - mechanizm jest tutaj identyczny, tylko z przeciwnym znakiem, czyli ogrzewamy środowisko ciepłem pobranym z chłodzonych pomieszczeń. Dla tego procesu "pompowania energii" od niższej temperatury do wyższej potrzebna jest energia.

W najpopularniejszych sprężarkowych pompach ciepła jest to energia mechaniczna niezbędna do napędu sprężarki. Najczęściej źródłem jej napędu jest silnik elektryczny lub - zdecydowanie rzadziej - spalinowy.

Efektywność pomp ciepła

Miarą efektywności sprężarkowej pompy jest stosunek pozyskanego ciepła do energii elektrycznej (mechanicznej) zużytej do jej napędu. Oznaczamy go literowym symbolem COP (coefficient of performance). Wartość COP zależy od wielu czynników. Należą do nich właściwości techniczne sprężarki oraz czynnika roboczego, którym mogą być: trujący amoniak, szkodliwe dla środowiska freony lub dwutlenek węgla. W zależności od wariantu, COP może się różnić nawet o 50% - przy takich samych pozostałych warunkach pracy pompy. Kolejnym i najważniejszym czynnikiem determinującym COP jest różnica temperatury pomiędzy dolnym źródłem ciepła, czyli środowiskiem, z którego chcemy czerpać energię, a temperaturą czynnika grzewczego, czyli wody (czasami freonu) zasilającej system grzewczy.

Ciepło możemy czerpać z powietrza, wód gruntowych lub ziemi, przy czym ciepło z gruntu może być pozyskiwane za pomocą sond w głębokich odwiertach lub kolektora z rurek ułożonych na głębokości około metra pod powierzchnią ziemi. Każde z wymienionych źródeł ciepła ma inną temperaturę, a więc przy takiej samej technologii pompa ciepła będzie miała inną wartość COP, dla takiej samej temperatury czynnika grzewczego (górnego źródła).

- Sondy głębinowe. Z punktu widzenia wartości wskaźnika COP, najkorzystniejsze są sondy głębinowe, bo temperatura gruntu już na głębokości kilkudziesięciu metrów poniżej terenu wynosi ponad 10oC.

- Wody gruntowe. Podobnie korzystne są właściwości wód gruntowych, które mają nie tylko wysoką temperaturę (około 8 st.C), ale także ogromną pojemność cieplną. Przy wykorzystywaniu jako dolnego źródła ciepła wód gruntowych, poważną wadą jest jednak częste zatykanie się studni zrzutowych.

Ponieważ wiadomo, że "nikt nie jest bez wad", mają je także te najlepsze z dolnych źródeł ciepła. Sondy głębinowe charakteryzują się wysoką ceną i z biegiem czasu spadkiem temperatury w ich otoczeniu (przy zbyt bliskim położeniu odwiertów względem siebie), co prowadzi do obniżania się wartości współczynnika COP.

- Powietrze. Mimo takich wad, wskaźnik COP dla opisanych wyżej dolnych źródeł ciepła jest o 30-50% wyższy, niż gdy jest nim powietrze. Powietrzne pompy ciepła są najtańsze inwestycyjnie, ale też najmniej sprawne energetycznie. Dla temperatury zewnętrznej poniżej -5 st.C, a więc w okresie największego (ponad 50%) zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania domu i wody, w najlepszych pompach (z dwutlenkiem węgla) COP jest nieco większe od 1,5. W pozostałych (freonowych) - konieczne jest stosowanie grzałek elektrycznych w instalacji także przy wyższych temperaturach.

(Nie omawiam tu kolektora płaskiego, którego sprawność lokuje się pomiędzy powietrzem a sondami głębinowymi, a to z powodu osobistej awersji do tego rozwiązania, które - na skutek wychłodzenia gleby - zmienia krajobraz przydomowego ogrodu w tundrę.)

Pompa ciepła a ekologia

Wartość COP wyższa od 1 może sugerować, że pompa ciepła jest źródłem ekologicznym w sytuacjach, gdy nie ma żadnego alternatywnego wobec prądu sieciowego źródła energii do ogrzewania.

Tak jednak nie jest. Zawsze możemy korzystać z paliw stałych lub płynnych. W nowoczesnych systemach z kotłami na paliwa stałe, przy minimalnie bardziej uciążliwej niż w przy źródłach sieciowych eksploatacji, możemy ogrzewać dom ekologicznymi peletami (nie ekoszkodliwym ekogroszkiem!).

W grę wchodzą też przyjazne dla środowiska olej opałowy lub gaz płynny; są to jednak paliwa niewiele tańsze od prądu, jeśli uwzględnić koszt zbiorników.

Pompy w Polsce

Biorąc pod uwagę, że sprawność systemu elektroenergetycznego w Polsce jest na poziomie 25% (uwzględniając stan techniczny naszych elektrowni węglowych oraz straty na przesyle), to rozwiązaniem korzystnym dla środowiska byłoby zastosowanie pompy ciepła o COP = 5, co jest możliwe przy połączeniu najlepszego dolnego źródła ciepła z niskotemperaturowym ogrzewaniem podłogowym.

W takiej sytuacji korzyść środowiskowa wynikałaby nie z redukcji emisji CO2, lecz mniejszego zanieczyszczenia środowiska produktami spalania, dzięki stosowaniu w energetyce przemysłowej instalacji odsiarczania, odazotowania i odpylania, czego nie mamy w domowych kotłach.

Jak widać, jedynie w wyjątkowych sytuacjach możemy mówić o środowiskowych korzyściach z zastosowania pomp ciepła. Są one jednak niewątpliwie korzystne dla elektroenergetyki i to jest zapewne powód, dla którego, jak donosi prasa, Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska prowadzi prace nad systemami dofinansowania pomp ciepła, co będzie wspomagać - pod pretekstem wspierania środowiska i konsumentów - producentów zarówno tych urządzeń, jak i... energii elektrycznej.

Część prądu ze słońca

Jest jednak i jaśniejsze oblicze tej technologii. Wyobraźmy sobie, że źródłem energii elektrycznej dla pompy ciepła są ogniwa fotowoltaiczne lub hybrydowe - fotowoltaiczno-termiczne (PVT).

Te ostatnie to - niewiele upraszczając - płaski kolektor termiczny pokryty ogniwami fotowoltaicznymi (PV). Zaletą takiej konstrukcji jest wzrost sprawności produkcji prądu i trwałości chłodzonego ogniwa oraz dostarczanie ciepła. Ciepło co prawda ma niższą temperaturę niż ta, która może być w klasycznym kolektorze słonecznym, bo ze względu na spadek wydajności produkcji prądu temperatura kolektora nie powinna przekraczać 40oC.

Z ogniw hybrydowych mamy zatem i ciepło, i prąd - tyle że nie jedynie w czasie, gdy jest zimno i ciemno, czyli w sezonie grzewczym. Gdybyśmy mogli przekazać nadmiar prądu wyprodukowanego latem do sieci (co jest powszechne w krajach poważnie traktujących ochronę środowiska) i na dodatek wykorzystali nadmiar ciepła do podgrzania gruntu, z którego zimą czerpałaby je nasza pompa, osiągnęlibyśmy nadzwyczajny efekt środowiskowy, ogrzewając dom przy zerowej emisji CO2.

W krajach, w których władza nie wspiera dotacjami firm instalujących kolektory, ogniwa hybrydowe kosztują około 1100 zł/m2; razem z instalacjami jest to zatem mniej niż dotowane przez NFOŚ 2500 zł/m2 instalacji solarnej.

Przyjmując, że południowa połać dachu pokryta jest ogniwami hybrydowymi o powierzchni 50 m2 w korzystnych warunkach możemy wyprodukować ponad 5000 kWh prądu i 25 000 kWh ciepła. Akumulując nawet ze sprawnością 30% to ciepło w gruncie łatwo uzyskamy COP = 5, nawet przy stosowaniu grzejników zamiast optymalnego, niskotemperaturowego ogrzewania podłogowego. To oznacza, że z prądu wyprodukowanego przez ogniwa hybrydowe możemy otrzymać ciepłą wodę dla 5-osobowej rodziny (4000 kWh) i ogrzać dom o powierzchni użytkowej 150 m2, zbudowany w skandalicznie niskim - choć dopuszczonym przez rozporządzenie o warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki - standardzie energetycznym (21 000 kWh). (A przecież łatwo i opłacalnie ekonomicznie można zbudować dom zużywający do ogrzewania ośmiokrotnie mniej energii!)

Ogniwa fotowoltaiczne bez wsparcia

Niestety, powszechne zastosowanie takich instalacji przyniosłoby ogromne straty elektroenergetyce i pewnie dlatego nie ma żadnego wsparcia dla odnawialnych źródeł prądu z ogniw fotowoltaicznych. Ochrona ze strony rządu interesów potężnego sektora elektroenergetycznego spowoduje, że będziemy płacić ogromne kary za niewdrożenie unijnych dyrektyw wspierających odnawialne źródła energii, w tym także domowe instalacje ogniw hybrydowych. I zapewne dlatego doczekają się wsparcia pompy ciepła, które same w sobie nie niosą ulgi polskiej przyrodzie, a jedynie pomnażają zyski koncernów energetycznych. Ale to jest już temat na inne opowiadanie...

Zapisz się na NEWSLETTER. Co tydzień najnowsze wiadomości o budowie, remoncie i wykańczaniu wnętrz w Twojej poczcie e-mail: Zobacz przykład