Kolektory słoneczne i pompa ciepła razem. Jak działa takie połączenie?
Czy związek pompy ciepła z kolektorami się opłaca? Wyjaśniamy, jak działa pompa w połączeniu z solarami. Czy kolektory słoneczne mogą zmniejszyć koszty eksploatacji pompy ciepła?
Autor: Galmet
Kolektory słoneczne próżniowe (fot. Galmet)
Pompa ciepła dostarcza energię pobieraną z otoczenia, a więc darmową. Jej zadaniem jest wymuszenie przepływu ciepła wbrew naturalnemu kierunkowi - z obszaru o niższej temperaturze (gruntu, wody, powietrza) do obszaru cieplejszego (ogrzewanych pomieszczeń). Do tego jest potrzebna energia napędowa - w przypadku powszechnie stosowanych pomp ciepła jest nią energia elektryczna.
Co wpływa na koszty eksploatacji pompy ciepła?
O efektywności pomp ciepła, a więc o kosztach ich eksploatacji, decyduje właśnie pobór energii elektrycznej. A na jego wielkość ma wpływ nie tylko konstrukcja urządzenia, ale przede wszystkim warunki, w jakich pracuje.
Efektywność pompy w największym stopniu zależy od temperatury ośrodka, z którego pobiera ciepło (tak zwanego źródła dolnego). Informuje o tym współczynnik wydajności COP (Coefficient Of Performance), czyli stosunek ilości energii przekazywanej w skraplaczu pompy do ilości pobranej energii - w tym wypadku elektrycznej - co określa wzór:
COP = QH/W
gdzie:
QH – ciepło wyjściowe z pompy ciepła (pozyskane z dolnego źródła ciepła + pochodzące z energii do napędu sprężarki)
W – energia do napędu sprężarki pompy ciepła
W inny sposób można zapisać tą zależność jako:
COP ≤ Ts/(Ts - Tp), gdzie
Ts - temperatura skraplacza,
Tp - temperatura parownika (w skali Kelvina).
Ze wzoru wynika, że im większa różnica temperatury między parownikiem (czyli ośrodkiem, z którego odbierane jest ciepło) a skraplaczem (czyli temperaturą, do jakiej pompa podgrzewa wodę), tym mniejsza efektywność pompy ciepła
Do ogrzewania pomieszczeń potrzebna jest temperatura Ts rzędu 35oC (około 308 K), w praktyce stosuje się nawet wyższą - powyżej 40oC (około 313 K). Łatwo policzyć (stosując powyższy wzór), jak duży wpływ na COP, czyli na koszty eksploatacji pompy ma zwiększenie Ts o 5 czy 10oC. Ale im niższa temperatura skraplacza, tym większa musi być powierzchnia urządzeń grzewczych, by osiągały zakładaną moc. A to sprawia, że instalacja staje się droższa, czyli obniżanie Ts nie zawsze się opłaca. Kluczowa dla osiągnięcia wysokiego COP jest zatem temperatura ośrodka (np. gruntu), z którego pompa mogłaby odbierać ciepło - Tp powinna być jak najwyższa.
Więcej o pompach ciepła, ich wydajności i kosztach >>
Skąd brać ciepło
W miarę stabilną i stosunkowo wysoką temperaturę w sezonie grzewczym mają naturalne zbiorniki wodne, a także grunt na głębokości poniżej 1 m. Temperatura parownika pompy gruntowej, a tym bardziej wodnej, na ogół nie jest niższa niż 0oC (około 273 K) przez cały czas jej pracy. Dolne źródło takie jak staw, rzeka, czy studnia głębinowa może mieć 10oC (około 283 K) nawet w czasie trzaskającego mrozu, a grunt, zwłaszcza przy wysokim poziomie wód gruntowych - około 5oC (278 K). Do odbioru ciepła z gruntu czy wody potrzebna jest instalacja, której koszt w przypadku pompy o mocy grzewczej około 10 kW przekracza 20 tys. zł. Nie zawsze jednak możliwe jest jej wykonanie (z powodu braku miejsca, niskiego poziomu wód gruntowych, braku zbiornika wodnego w pobliżu).
W takiej sytuacji stosuje się na ogół pompy odbierające ciepło z powietrza, ale ich efektywność zimą, gdy powietrze na zewnątrz ma temperaturę ujemną, jest niezadowalająco mała. Ciekawym pomysłem na rozwiązanie takich problemów jest połączenie pompy ciepła z kolektorami słonecznymi.
A kolektory słoneczne?
Instalacje z kolektorami słonecznymi w polskich warunkach projektuje się zakładając, że będą dostarczały 70% ciepła potrzebnego do przygotowania ciepłej wody użytkowej (są to założenia projektowe - w Polsce trudne do zrealizowania). Wówczas z metra kwadratowego powierzchni kolektora można by uzyskać do 750 kWh energii na rok, ale w praktyce wykorzystuje się niespełna jej połowę. Jest to spowodowane między innymi nierównoczesnością zapotrzebowania na ciepłą wodę i dostępnością energii słonecznej (energia jest tracona, bo podgrzana woda stygnie, zanim zostanie wykorzystana) oraz zbyt niską temperaturą kolektora (ciecz jest w nim ogrzewana, ale do temperatury zbyt niskiej, by ogrzewać wodę użytkową).
Tracone w ten sposób 300-400 kWh/m2/rok energii można wykorzystać, gdy instalację słoneczną połączy się z pompą ciepła tak, by płyn z kolektorów podgrzewał jej parownik.
Nawet przy zachmurzonym niebie kolektory często osiągają temperaturę rzędu 20oC (zbyt niską, by podgrzewać wodę użytkową), podczas gdy w gruncie jest zaledwie kilka stopni powyżej zera. A temperatura parownika o kilkanaście stopni wyższa oznacza pobór prądu mniejszy o 20-40%!
Dodatkowa zaleta współpracy pompy ciepła z kolektorem
Zaletą współpracy pompy gruntowej z kolektorami jest też szybsza „regeneracja” gruntu. W sezonie grzewczym pompa, odbierając od niego ciepło, powoduje spadek jego temperatury, która w okresie od wiosny do jesieni powinna wrócić do normalnego poziomu, by w kolejnym sezonie grzewczym pompa znów osiągała wysoki współczynnik efektywności COP. Jeśli pompa jest przez cały rok wykorzystywana do przygotowywania ciepłej wody użytkowej, to regeneracja gruntu trwa dłużej - z doświadczeń wynika, że mniej więcej do sierpnia.
Natomiast przełączenie jej na współpracę z kolektorem słonecznym o powierzchni 2 m2 przypadającej na 10 kW mocy (tak zwanej chłodniczej) pompy skraca czas regeneracji gruntu mniej więcej o 4 miesiące. Temperatura gruntu może być wtedy wyższa o 3oC, co oznacza COP wyższy o około 10%. Dzięki automatycznemu sterowaniu systemem, kolektory dostarczają do instalacji c.w.u. taką samą ilość ciepła, jak w przypadku pracy autonomicznej - pompa korzysta tylko z energii, która nie może być wykorzystana do podgrzewania wody.
