Piotr KUBSKI

UWARUNKOWANIA EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ STOSOWANIA

POMP GRZEJNYCH ZAWARTE W DYREKTYWIE W SPRAWIE PROMOCJI

ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII

Streszczenie

Przedstawiono

podstawową

problematykę

zawartą

w

dyrektywie

o promowaniu energii ze źródeł odnawialnych, a dotyczącą stosowania pomp

grzejnych przy zagospodarowywaniu takich zasobów energii. Omawiana dyrektywa

wprowadziła podstawowy prawny wymóg, by praca zastosowanej instalacji z pompą

grzejną była efektywna energetycznie. Podano także podstawowy warunek, przy

którym efekt działania sprężarkowej pompy grzejnej pozwala zaliczyć go do

zagospodarowywania energii z zasobów odnawialnych.

Słowa kluczowe: dyrektywa, pompa grzejna, efektywność energetyczna pompy grzejnej

1.

Wstęp

Na łamach Dziennika Urzędowego Unii Europejskiej (z datą 05.06.2009 r.) ukazała

nowa ważna dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia

2009 r.

w sprawie promocji stosowania energii ze źródeł odnawialnych i w następstwie uchylająca

dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE, [1].

A zatem w chwili obecnej wskazana dyrektywa nabrała już mocy prawnej i co ważniejsze

obejmuje całościowo ważny zespół zagadnień.

Pierwsza z uchylanych dyrektyw, z 2001 r., dotyczyła wspierania produkcji na rynku

wewnętrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych, zaś druga z nich,

z 2003 r., dotyczyła wspierania stosowania w transporcie biopaliw lub innych paliw

odnawialnych. Wskazano ostateczny termin utraty ich mocy, mianowicie z dniem 1 stycznia

2012 r. Ale treści tych dokumentów, odpowiednio zmodyfikowane, znalazły ponownie

miejsce w omawianej dyrektywie.

Jednocześnie znana jest jeszcze inna branżowa dyrektywa 2003/54/WE z 2003 r. dotycząca

wspólnych zasad rynku wewnętrznego energii elektrycznej. Podaje ona m.in. definicje

dotyczące ogólnie sektora energetycznego, do których odwołuje się omawiana dyrektywa.

Wskazana najnowsza dyrektywa ustanawia wspólne ramy dla zasad promowania energii ze

ź

ródeł odnawialnych. Określa ona obowiązkowe krajowe cele ogólne w odniesieniu do

całkowitego udziału energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto

i w odniesieniu do udziału energii ze źródeł odnawialnych w transporcie. Ustanawia ona

zasady dotyczące statystycznych przekazów między państwami członkowskimi, wspólnych

projektów między państwami członkowskimi i z państwami trzecimi, gwarancji pochodzenia,

procedur administracyjnych, informacji i szkoleń oraz dostępu energii ze źródeł odnawialnych

do sieci elektroenergetycznej. Określa ona kryteria zrównoważonego rozwoju dla biopaliw

i biopłynów. Zawartość treściową dyrektywy przedstawiono bliżej w publikacji [2].

Jednym od dawna znanym sposobem zagospodarowania energii z zasobów odnawialnych jest

stosowanie pomp grzejnych (pomp ciepła). Choć dyrektywa poświęcona jest szeroko

rozumianemu promowaniu energii ze źródeł odnawialnych, to jednak niektórymi zapisami

odnosi się również do problematyki pomp grzejnych. Istotne fragmenty dyrektywy

poświęcone są ważnemu problemowi, jakim jest stosowanie pomp grzejnych spełniających

warunek efektywności energetycznej, gdyż tylko takie pompy – wg dyrektywy - wykorzystują

zasoby energii odnawialnej..

Tym problemem autor niniejszego opracowania zajmował się już uprzednio w licznych

publikacjach. Przykładowo można wskazać pracę [3]. W niej dokonano oceny efektywności

energetycznej stosowania sprężarkowych pomp grzejnych zasilanych energią elektryczną

z krajowego systemu elektroenergetycznego oraz ze spalinowego bloku ciepłowniczo-

elektrycznego, a także przeprowadzono wzajemne porównanie tych dwu sposobów zasilania.

Wspomniane pompy grzejne zastosowano do zagospodarowania do celów grzewczych

niskotemperaturowej energii odpadowej lub ze źródeł odnawialnych. Jako kryterium

efektywności energetycznej wykorzystano skumulowane zużycie energii chemicznej paliwa

przypadającego na wytworzenie jednostki ciepła w układzie utworzonym przez

elektrociepłownię parową lub gazową wraz z pompą grzejną. Przeprowadzona analiza

energetyczna wykazała stosowne uwarunkowania, a także wyższość napędu spalinowego nad

zasilaniem pomp grzejnych z systemu elektrycznego.

Celem niniejszej publikacji jest przedstawienie istotnych sformułowań dyrektywy

odnoszących się właśnie do pomp grzejnych. Ich prezentację poprzedzono ogólną

charakterystyką tej dyrektywy. Istotny fragment tej publikacji poświęcony jest zasadom

rozliczanie energii pobranej z zasobów odnawialnych w instalacjach z pompami grzejnymi.

Właśnie w tym zakresie przejawia się warunek efektywności energetycznej stosowania pomp

grzejnych.

2. Ogólna charakterystyka dyrektywy

Omawiana dyrektywa zawiera 27 artykułów zawartych na 19 stronach tekstu.

Poprzedza je 11 stronicowy wstęp - preambuła. Kończy ją 7 istotnych załączników

zapisanych na kolejnych 17 stronach. Jak już wspomniano, szczegółową zawartość treściową

dyrektywy przedstawiono w publikacji [2]. Tutaj ograniczono się jedynie do podania

najistotniejszych jej ustaleń.

Podstawowym celem dyrektywy – deklaruje to już jej wstęp - jest zwiększanie

stosowania energii ze źródeł odnawialnych, czemu jednak powinna towarzyszyć oszczędność

energii i zwiększona efektywność energetyczna procesów jej konwersji. Są to podstawowe

czynniki, mające również duże znaczenie dla zwiększenia bezpieczeństwa dostaw energii,

wspierania rozwoju technologicznego i innowacji, a także dla tworzenia możliwości

zatrudnienia i możliwości rozwoju regionalnego, zwłaszcza na obszarach wiejskich

i odizolowanych. Jednocześnie wskazane czynniki stanowią niezbędne środki do redukcji

emisji gazów cieplarnianych i w konsekwencji spełnienia postanowień Protokołu z Kioto do

Ramowej Konwencji ONZ w sprawie zmian klimatu.

Wg dyrektywy do jednych z najskuteczniejszych narzędzi, dzięki którym Wspólnota

może zmniejszyć swoje uzależnienie od importu ropy naftowej dla sektora transportu, obok

zwiększających się udoskonaleń technologicznych, również obok zachęty do korzystania

z transportu publicznego i jego rozwoju, jest stosowanie w transporcie technologii

energooszczędnych oraz korzystanie z zasobów energii ze źródeł odnawialnych.

We wstępie dyrektywy potwierdzono, już uprzednio przyjęty obowiązkowy cel przewidujący

20 % udział energii ze źródeł odnawialnych w całkowitym zużyciu energii we Wspólnocie do

2020 r. i obowiązkowy minimalny cel przewidujący 10 % udział biopaliw w ogólnym zużyciu

benzyny i oleju napędowego w transporcie, który wszystkie państwa członkowskie są

zobowiązane osiągnąć do 2020 r. i który należy zrealizować w sposób efektywny pod

względem kosztów.

Wstęp do dyrektywy przypomina także, że poprawa efektywności energetycznej jest

głównym celem Wspólnoty, a zmierza ona do osiągnięcia poprawy efektywności

energetycznej o 20 % do roku 2020.

Wskazano również, ze strategie polityczne w zakresie efektywności energetycznej oraz

oszczędności energii należą do najskuteczniejszych metod zwiększenia przez państwa

członkowskie procentowego udziału energii ze źródeł odnawialnych.

Obowiązkowy cel udziału 10 % dla środków transportu, który mają osiągnąć

wszystkie państwa członkowskie, zdefiniowano jako tę część końcowego zużycia energii

w sektorze transportu, która ma pochodzić ze źródeł odnawialnych jako całości, a nie tylko

z biopaliw.

Dyrektywa wymusza powstanie krajowych planów działania w zakresie energii odnawialnej,

zawierający informacje o celach sektorowych.

Końcowe artykuły dyrektywy podają stosowne terminy:

- wprowadzenia w życie przepisów ustawowych, wykonawczych i administracyjnych,

niezbędnych do wykonania niniejszej dyrektywy, najpóźniej do dnia 5 grudnia 2010,

- utraty pełnej mocy przez uchylone dyrektywy 2001/77/WE i 2003/30/WE,

z dniem 1 stycznia 2012 r.,

3. Ustalenia dyrektywy odnoszące się do pomp grzejnych

Poniżej podano ogólną zawartość tych wybranych artykułów, które nawiązują do

problematyki stosowania pomp grzejnych przy zagospodarowywaniu zasobów energii

odnawialnej.

Należy dobitnie wskazać, że z art. 4 wynika obowiązek opracowania przez państwa

członkowskie krajowych planów działania w zakresie energii ze źródeł odnawialnych,

najpóźniej do dnia 30 czerwca 2010 r. Można oczekiwać, że znajdą się w nim również

ustalenia odnośnie stosowania pomp grzejnych.

Kolejny art. 5 podaje zasady obliczania końcowego zużycia energii ze źródeł odnawialnych

oraz udziału tej energii w końcowym zużyciu energii brutto ze wszystkich źródeł. Ważny, 4

podpunkt tego artykułu stawia warunek, by przy pompach grzejnych uwzględniać energię

pobraną z otoczenia jedynie w przypadku, gdy końcowy wynik energetyczny ich działania

przekracza znacząco energię pobraną. W takim przypadku ilość ciepła, którą traktuje się jako

energię pobraną ze źródeł odnawialnych dla celów niniejszej dyrektywy, oblicza się zgodnie

z metodologią określoną w załączniku VII. Metodologia ta zostanie bliżej przedstawiona

nieco dalej.

Art. 11 wywołuje możliwość wspólnych – utworzonych przez kilka państw - systemów

wsparcia dla promowania wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych. System wsparcia

obejmuje pomoc inwestycyjną, zwolnienia z podatków lub ulgi podatkowe, zwrot podatków,

a także środki wsparcia polegające na nałożeniu obowiązku wykorzystywania energii ze

ź

ródeł odnawialnych, w tym również systemy posługujące się zielonymi certyfikatami.

Art. 14 wymusza, by państwa członkowskie zapewniały dostęp do informacji o środkach

wsparcia wszystkim zaangażowanym stronom, takim jak odbiorcy, wykonawcy budowlani,

instalatorzy, architekci i dostawcy urządzeń oraz systemów grzewczych, chłodzących

i elektrycznych a także pojazdów wykorzystujących energię ze źródeł odnawialnych. Ponadto

państwa członkowskie powinny zapewnić udostępnianie przez dostawcę urządzenia lub

systemu lub przez krajowe właściwe organy informacji na temat korzyści, kosztów

i wydajności energetycznej netto urządzeń i systemów grzewczych, chłodzących

i elektrycznych, wykorzystujących energię z odnawialnych źródeł energii.

Wreszcie w tym samym art. 14 pojawia się obowiązek, by do dnia 31 grudnia 2012 r.

instalatorzy małych kotłów i pieców na biomasę, systemów fotowoltaicznych i systemów

ciepła słonecznego, płytkich systemów geotermalnych oraz pomp ciepła mieli dostęp do

krajowych systemów certyfikacji lub równoważnych systemów kwalifikowania.

Art. 15 ustala gwarancje pochodzenia energii elektrycznej oraz energii stosowanej w celu

ogrzewania lub chłodzenia wytwarzanej z odnawialnych źródeł energii.

To były najistotniejsze ustalenia zawarte w treści dyrektywy, a dotyczące pomp grzejnych.

Dalsze szczegółowe wymagania zawarto w załącznikach.

4. Charakterystyka treści załączników do dyrektywy

Jak już wspomniano, istotną częścią dyrektywy są załączniki; niniejsze omówienie

ograniczono tylko do załączników nawiązujących do pomp grzejnych.

Załącznik I podaje krajowe cele ogólne w zakresie udziału energii ze źródeł odnawialnych

w końcowym zużyciu energii brutto w 2020 r. Jak wiadomo, z wcześniej opublikowanej treści

tego załącznika (np. w wersji oryginalnej) Polsce wyznaczono ten udział w wysokości 15 %.

Udział ten może być częściowo osiągnięty przy odpowiednim wykorzystaniu pomp

grzejnych.

Załącznik IV podaje zasady certyfikacji, lub równoważnych systemów kwalifikowania,

instalatorów. Dotyczy on instalatorów urządzeń wykorzystujących biomasę, pomp ciepła,

płytkich systemów geotermalnych, urządzeń fotowoltaicznych i urządzeń wykorzystujących

ciepło słoneczne, którzy są certyfikowani w ramach akredytowanego programu szkoleń lub

przez akredytowanego organizatora szkoleń.

Szkolenie prowadzące do certyfikacji lub uznania kwalifikacji instalatora obejmuje zarówno

część teoretyczną, jak i praktyczną. Po zakończeniu szkolenia instalator musi posiadać

umiejętności wymagane do instalacji właściwych urządzeń i systemów, tak aby spełniały one

wymogi klienta w zakresie ich eksploatacji i niezawodności, cechowały się solidną jakością

rzemieślniczą oraz były zgodne ze wszystkimi obowiązującymi zasadami i normami, w tym

dotyczącymi oznakowania energetycznego i ekologicznego. Warto tu podkreślić, że załącznik

ten szczegółowo określa zasady udzielania certyfikacji instalatorom pomp ciepła.

Wreszcie VII - ostatni z załączników - podaje zasady rozliczania energii odnawialnej

pobranej przez pompy grzejne.

Zjawia się tutaj istotny warunek wiążący przeciętny, sezonowy współczynnik efektywności

energetycznej pompy grzejnej z wartością (średnią dla UE) sprawności konwersji energii

pierwotnej na energię elektryczną. Taki warunek wymusza odpowiednią dolną wartość

graniczną współczynnika efektywności energetycznej instalacji, w której pracuje pompa

grzejna.

Załącznik też zapowiada, że bliższe wytyczne z uwzględnieniem różnic klimatycznych dla

państw członkowskich, odnośnie poszczególnych technologii i zastosowań pomp grzejnych

zostaną opracowane w terminie późniejszym.

5. Podstawowe informacje odnośnie OZE zawarte w dyrektywie

Poniżej omówiono ważniejsze sformułowania dotyczące pojęć z zakresu energii

z odnawialnych źródeł, a 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.

Jednocześnie zaleca, by w szczególności uwzględnić energię obecną w oceanach i innych

częściach wód w postaci fal, prądów morskich, pływów, oceanicznych gradientów energii

ciepła lub gradientów zasolenia.

Zwraca tutaj uwagę szczególna nieporadność językowa polskiej wersji językowej dyrektywy.

Zamiast oceanicznych gradientów energii ciepła powinien chyba tutaj znaleźć się zapis

o oceanicznym gradiencie temperatury.

Kolejne zalecenie ze wstępu dotyczy wykorzystania surowców rolnych, takich jak nawóz

pochodzenia zwierzęcego czy mokry obornik oraz innych odpadów zwierzęcych

i organicznych do wytwarzania biogazu dzięki wysokiemu potencjałowi oszczędności w emisji

gazów cieplarnianych daje znaczne korzyści dla środowiska zarówno przy wytwarzaniu

energii ciepła i elektrycznej, jak i stosowaniu jako biopaliwo.

Tutaj również użyto nieporadnego zwrotu energii ciepła. Przecież ciepło jest jednym ze

sposobów przekazywania energii. A wystarczyłoby zastosowanie po prostu zwrotu

wytwarzania ciepła i energii elektrycznej.

W części zasadniczej dyrektywa podaje kilka podstawowych definicji dotyczących różnych

pojęć z zakresu OZE.

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).

Po tej ogólnej definicji kolejno następują wyjaśnienia 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

grzejnych (pomp ciepła), 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.

5. Zasady rozliczanie energii pobranej przez pompy grzejne

Jak wiadomo, pompy grzejne (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

grzejnej 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 poziom temperatury możliwej 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 grzejnych. Jako energia napędowa bywa

stosowana również energia zawarta w nośniku o odpowiedniej temperaturze, przekazującym

ją na sposób ciepła do absorpcyjnej pompy grzejnej. Jednak wskazana technologia

energetyczna oparta na pompach grzejnych, wbrew oczekiwaniom ich 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 grzejnej 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 grzejnej.

Ważnym kolejnym fragmentem dyrektywy jest zapis w 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 grzejne, a uznawanej za energię ze

ź

ródeł 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 wynika związek, w którym energia wyprowadzona w

górnym źródle ciepła pompy grzejnej Q

g

jest sumą energii pobranej w dolnym źródle ciepła

Q

d

oraz zastosowanej energii napędowej N, co można zapisać jako:

Q

g

= Q

d

+ N lub też Q

d

= Q

g

- N,

(1)

czyli

Q

d

= Q

g

( 1 - N/Q

g

),

(2)

Definicja efektywności energetycznej pompy grzejnej ε, która wyraża stosunek efektu, czyli

energii wyprowadzanej z górnego źródła ciepła Q

g

, do nakładu, czyli energii napędowej N,

może być zapisana jako:

ε

=

N

Q

g

(3)

Definicja efektywności energetycznej pozwala więc przedstawić zapis równania (2) bilansu

energii w postaci zależności:

Q

d

= Q

g

( 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 grzejną oznaczono symbolem Q

usable

, zaś symbol SPF (Seasonal

Performance Factor) oznacza szacunkowy przeciętny współczynnik efektywności

energetycznej instalacji, w której pracuje pompa grzejna. A zatem, zgodnie z treścią

załącznika:

ERES = Q

usable

* (1–1/SPF).

(5)

Zapis (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 grzejnej.

Warto podkreślić, że współczynnik SPF różni się, nieraz i znacznie, od wartości

współczynnika efektywności energetycznej ustalanej w warunkach laboratoryjnych przez

producenta pompy. Producent ustala charakterystykę energetyczną samej pompy grzejnej 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 (Coefficient of Performance), którego

krajowym odpowiednikiem jest wcześniej zastosowany symbol ε, czyli współczynnik

efektywności energetycznej pompy grzejnej. 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 grzejnej. Obejmuje także sezonową zmienność

wartości współczynnika COP, zależną wszak od zmiennych wartości temperatury obu płynów

w źródłach ciepła.

Jednak równanie (5) dotyczy wszystkich pomp grzejnych i co ważniejsze nie oddaje jeszcze

wymagań stawianych pompom grzejnym w dyrektywie. Ponieważ sprężarkowe pompy

grzejne istotnie różnią się rodzajem energii napędowej od absorpcyjnych pomp, przeto oba te

przypadki zostaną poniżej rozpatrzone osobno.

5.1. Sprężarkowe pompy grzejne

Wskazane uściślenie dla sprężarkowych pomp grzejnych zostało w załączniku VII

wprowadzone warunkiem, że podana zależność (5) obliczenia efektu energetycznego

uzyskanego przez ich stosowanie, dotyczy jedynie tych pomp, dla których zachodzi związek:

SPF > 1,15 * 1/η,

(6)

w którym symbol η oznacza (średnią dla UE) wartość sprawności energetycznej konwersji

energii pierwotnej na energię elektryczną, wyznaczonej jako stosunek pomiędzy całkowitą

produkcją energii elektrycznej brutto i pierwotnym zużyciem energii dla produkcji

elektryczności.

W warunkach krajowych, dla których sprawność procesu konwersji energii chemicznej na

energię elektryczną podano np. w rozporządzeniu o metodologii wyznaczania charakterystyki

energetycznej budynków [4], współczynnikiem równym odwrotności 3, wartość graniczna

współczynnika SPF musi być zatem wyższa od wartości 3,45.

Z załącznika VII wynika też, że nie później niż do 1 stycznia 2013 r. Komisja ustanowi

wytyczne dla państw członkowskich, w jaki sposób mają one szacować wartości Q

usable

i SPF

dla różnych technologii i zastosowań pomp cieplnych, biorąc pod uwagę różnice

w warunkach klimatycznych.

Dopóki nie zostaną wprowadzone rozporządzenia wykonawcze do krajowego tekstu

stosownej ustawy wymuszonej dyrektywą, można np. posługiwać się zaleceniem

pochodzącym ze sprawozdawczości GUS-owskiej (formularz G-02o), dotyczącej

producentów ciepła ze źródeł odnawialnych.

Wprowadza ona do statystyki pojęcie sezonowego współczynnika wydajności cieplnej,

oznaczonego właśnie symbolem SPF. Zaleca przyjmowanie następujących wartości

standardowych SPF dla poszczególnych typów sprężarkowych pomp grzejnych:

pompy powietrze – woda 3,0

pompy solanka – woda 3,7

pompy woda – woda 4,0.

Z powyższego wynika, że efekt działania sprężarkowych pomp grzejnych typu powietrze –

woda nie może być zaliczany do zagospodarowywania zasobów energii odnawialnych.

5.2.

Absorpcyjne pompy grzejne

Absorpcyjne pompy grzejne (APG) wymagają zastosowania, jako energii napędowej,

nośnika ciepła o odpowiednio dobranej temperaturze, który zasila warnik pompy grzejnej

energią przekazywaną na sposób ciepła.

Tu również obowiązuje zapis art. 5 dyrektywy, by uwzględniać jedynie pompy ciepła, których

wydajność znacząco przekracza pierwotną energię potrzebną do ich zasilania.

Określenie znacząco przekracza jest oczywiście nieostre i wymagałoby odpowiedniego

dookreślenia np. podczas implementacji tej dyrektywy do prawa krajowego.

Omawiany załącznik nie przewiduje jednak dodatkowych ograniczeń w przypadku

stosowania APG.

Tym niemniej łatwo można sobie wyobrazić sytuację, w której absorpcyjne pompy grzejne

zostaną całkowicie zdyskwalifikowane, jako nie spełniające podstawowego warunku

dyrektywy zapisanego w art. 5.

Dla wyjaśnienia tego problemu przyjmijmy typowe wartości współczynnika efektywności

energetycznej takich pomp (w zależności od temperatury nośnika napędowego), które sięgają

zwykle wartości z zakresu 1,4 ÷ 1,8.

Wskazany zakres oznacza, że z jednostki zasobu energii napędowej uzyskuje się zwykle

odpowiednio 1,4 ÷ 1,8 jednostki energii użytecznej w postaci ciepła. W takim przypadku

wykorzystany zasób energii odnawialnej wynosi więc odpowiednio zaledwie 0,4 ÷ 0,8. Czyli

zagospodarowanie jednostki energii odnawialnej przy użyciu absorpcyjnej pompy grzejnej

wymaga znaczącego nakładu energii napędowej, bo odpowiednio ok. (2,5 ÷ 1,2) - krotnie

przewyższającego ilość ciepła pobranego z dolnego źródła.

A zatem w takim przypadku jaskrawo widać, że wydajność pomp grzejnych nie tylko nie

znacząco przekracza pierwotną energię potrzebną do ich zasilania, lecz sytuacja kształtuje się

wprost przeciwnie, bo w przypadku APG nakład energii napędowej istotnie przekracza

pobrany zasób energii odnawialnej. Przeliczając nakład energii napędowej, w postaci ciepła,

na energię pierwotną zawartą w paliwach kopalnych, np. przy użyciu typowego

współczynnika z rozporządzenia o metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej

budynków [4], równego odwrotności 1,1 , uzyskuje się jeszcze gorsze (o 10 %), niż wskazane

powyżej, wskaźniki oceny efektywności energetycznej stosowania APG.

Taki wynik względnie łatwo uzasadnić na ogół niską wartościowością energetyczną

zastosowanego ciepła napędowego, np. w porównaniu do napędowej energii elektrycznej

stosowanej w sprężarkowych pompach grzejnych.

5.3. Wyjaśnienie warunku dotyczącego efektywności pomp grzejnych

Stosowanie sprężarkowych pomp grzejnych (SPG) do zagospodarowywania np.

zasobów energii odnawialnej, prowadzi do dwukrotnego zastosowania podstawowej

konwersji energii. Najpierw następuje bowiem konwersja energii pierwotnej zawartej

w paliwie kopalnym na energię elektryczną (elektrownia cieplna), a potem – w miejscu

zainstalowania pompy – konwersja energii elektrycznej w ciepło użytkowe (sprężarkowa

pompa grzejna). Musi to łącznie prowadzić do takiego efektu energetycznego, który

odpowiada wymaganiu, by uwzględniać jedynie pompy ciepła, których wydajność znacząco

przekracza pierwotną energię potrzebną do ich zasilania.

W chwili obecnej, bez stosownych aktów prawnych implementujących dyrektywę,

a jedynie kierując się typowymi, orientacyjnymi wartościami stosownych wielkości, powyżej

oceniono wymagania, by odwrotna konwersja w stosunku do zachodzącej w elektrowni

cieplnej, czyli konwersja energii elektrycznej w użytkowe ciepło grzejne, realizowana

w instalacji ze SPG, charakteryzowała się sezonową wartością współczynnika efektywności

energetycznej tej instalacji zbliżoną do wartości 3,5 lub nawet wyższą.

Wartość ta wynika głównie ze sprawności wytwarzania energii elektrycznej w krajowych

elektrowniach, wśród których dominują oczywiście elektrownie cieplne. W podobnym do

naszego rozporządzenia [4], ale obowiązującym w Niemczech, przyjęto jako podstawę

konwersji pierwotnej energii w energię elektryczną wartość odwrotności 2,7. Prowadzi to do

jeszcze wyższych wymagań efektywności stawianym instalacjom ze SPG.

Za poziom odniesienia dla łącznej efektywności konwersji energii pierwotnej paliwa

kopalnego w użytkowe ciepło grzejne (łącznie rozpatrywane elektrownia cieplna i SPG)

można uznać np. sprawność energetyczną typowych kotłów grzejnych, w których ma miejsce

pojedyncza konwersja energii pierwotnej paliwa kopalnego na ciepło użytkowe.

Jako sprawność energetyczną w przypadku kotłów uznaje się stosunek efektu uzyskiwanego,

czyli ciepła użytkowego, do nakładu, czyli zużytej energii pierwotnej.

W przypadku gazowych kotłów wodnych niskotemperaturowych, o mocy do 50 kW,

sprawność wytwarzania ciepła (dla celów ogrzewania) zawiera się w granicach 0,87 ÷ 0,91,

wg tab. 5 załącznika 5 do rozporządzenia [4]. By uzyskać efekt energetyczny przy stosowaniu

pomp grzejnych (dla sprawności elektrowni wynoszącej 1/3) współczynnik SPF musi więc

przekroczyć wartość 2,6 ÷ 2,7.

W przypadku pracy kotłów kondensacyjnych w instalacjach wymuszających

kondensację pary wodnej zawartej w spalinach, dla mocy do 50 kW przy nisko

temperaturowym ogrzewaniu, osiąga się wg tego samego rozporządzenia wartości sprawności

0,94 ÷1,00. Dla takich wartości sprawności współczynnik SPF musi więc przekroczyć

wartość z przedziału 2,8 ÷ 3,0.

Dlatego też wskazane rozporządzenie [4] podaje dla pomp grzejnych następujące wartości

efektywności energetycznej dla pompy grzejnej typu:

woda - woda 3,8 ÷3,5

glikol – woda 3,5 ÷ 3,3

powietrze – woda 2,7 ÷ 2,5

Powyżej przeprowadzona analiza porównawcza pomp grzejnych z kotłami gazowymi

ma zdecydowanie uproszczony charakter. Przykładowo można podać, że nie uwzględnia ona

np. strat związanych z przesyłem energii elektrycznej pomiędzy elektrownią a pompą grzejną.

Pełne uwzględnienie pozostałych składowych strat energii prowadzi więc do jeszcze

wyższych granicznych wartości współczynnika SPF. Nie uwzględnia również nakładu energii

na wydobycie i transport paliwa kopalnego.

Wskazane wartości graniczne dla SPF są i tak trudne do osiągnięcia w zrealizowanych już

instalacjach z pompą grzejną. Wymuszają one stosowanie precyzyjnie dobranych urządzeń

pomocniczych (pompy cieczy, wentylatory powietrza) wspierających pracę pompy grzejnej,

zarówno co do ich mocy, jak i ich sposobu regulacji.

6. Zakończenie

Przedstawiono podstawową problematykę dotyczącą stosowania pomp grzejnych przy

zagospodarowywaniu odnawialnych zasobów (źródeł – jak chce dyrektywa) energii.

Choć w literaturze technicznej często pojawiały się rozważania o konieczności uwzględniania

efektywności energetycznej przy stosowaniu sprężarkowych pomp grzejnych, to jednak

dopiero omawiana dyrektywa po raz pierwszy wprowadziła podstawowy prawny wymóg, by

praca zastosowanej instalacji z pompą grzejną była efektywna energetycznie. Podano także

podstawowy warunek, przy którym efekt działania sprężarkowej pompy grzejnej pozwala

zaliczyć go do zagospodarowywania energii z zasobów odnawialnych.

Bibliografia

[1] Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 140/16 PL z dnia 05 czerwca 2009 r., s. 16 – 62;

Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r.

w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych

zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE

(tekst mający znaczenie dla EOG);

[2] Kubski P.: Dyrektywa o wspieraniu odnawialnych źródeł energii;

COW, 2009 (r. 40) nr 9;

[3] Kubski P.: Energetyczna ocena celowości stosowania sprężarkowych pomp grzejnych

do zagospodarowania niekonwencjonalnych źródeł energii;

COW, 2001 (r. 32), nr 4, s.10-17;

[4] Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie

metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego

lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową

oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej;

(Dz. U. 2008. nr 201, poz. 1240);