Porównanie efektów energetycznych, ekonomicznych i ekologicznych wykorzystania pompy ciepła typu woda/woda i solanka/woda do ogrzewania domu jednorodzinnego

• Autorzy: Pająk L. , Tomaszewska B.

Identyfikatory

DOI

10.15199/9.2016.4.5

Warianty tytułu

EN

Comparison of Energy, Economic and Environmental Impacts of the Use of Water/Water and Brine/Water Heat Pumps for Heating Single-Family House

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Najbardziej rozpowszechnionymi pompami ciepła, wykorzystywanymi do celów grzewczych w gospodarce komunalnej, są pompy sprężarkowe. Napędzane są one najczęściej sieciową energią elektryczną. Źródłem niskotemperaturowego ciepła są ogólnie dostępne źródła: powietrze atmosferyczne, grunt lub wody gruntowe oraz ścieki. W artykule przeanalizowano energetyczne i ekologiczne skutki wynikające z alternatywnego wykorzystania: 1) wód gruntowych bądź 2) przypowierzchniowych warstw gruntu jako dolnego źródła instalacji pompy ciepła. Odniesiono się również do efektów ekonomicznych. Ocena skutków energetycznych i ekologicznych prowadzona jest w warunkach, w których napędowa energia elektryczna wytwarzana jest z konwencjonalnych, kopalnych paliw nieodnawialnych, tj. węgla kamiennego. Założono, ze odbiorcą ciepła będzie dom jednorodzinny o powierzchni 150 m2, zlokalizowany w południowej części Polski. Ustalono, że w rozpatrywanych uwarunkowaniach wykorzystanie wód gruntowych jako źródła niskotemperaturowego ciepła może przynieść lepsze efekty. Całkowite zapotrzebowanie na energię elektryczną zasilającą pompę ciepła oraz pompy obiegowe źródła dolnego jest o ok. 12% niższe w przypadku wykorzystania wód gruntowych (wa-riant 1) niż w przypadku poziomego gruntowego wymiennika ciepła (wariant 2). To mniejsze zapotrzebowanie na energię przekłada się na niższy jednostkowy koszt netto wytwarzania ciepła, który szacowany jest odpowiednio na 37 zł/GJ (wariant 1) i 42 zł/GJ (wariant 2). Celem niniejszych analiz było zwrócenie uwagi na pozytywne aspekty wykorzystania wód grun-towych jako dolnego źródła ciepła w instalacji pomp ciepła. Ogólnie w instalacjach pomp ciepła daje się zauważyć tendencja odchodzenia od wykorzystania wód i promowanie wykorzystania ciepła akumulowanego w gruncie. Rozwiązanie takie jest prostsze pod względem technicznym i prawnym. Niestety, jak wynika z obliczeń, jest ono mniej korzystne pod względem energetycznym, ekologicznym i ekonomicznym.

EN

The heat pumps most commonly used for municipal heating applications are compressor heat pumps. They are mostly driven by electricity from the grid. Low-temperature energy sources are freely available in the environment: these include atmospheric air, ground or groundwater and wastewater. This study analyses in quantitative terms the energy and environ-mental impacts arising from the use of: 1) groundwater or 2) near-surface soil layers as the lower heat source for the heat pump installation. The assessment of energy and environmental impacts has been conducted with the assumption that the electricity driving the pump is produced from conventional, non-renewable fossil fuel, i.e. coal. It has been assumed that the energy is consumed in a detached house with an area of 150 m2 situated in the south of Poland. It has been determined that under the conditions assumed, the use of groundwater as a source of low-temperature energy may result in better performance. The total demand for electricity to drive the heat pump and to pump water as the lower heat source is ca. 12% lower than the energy required for driving the pump when a horizontal ground heat exchanger is used. This lower energy demand translates into the unit heat production cost, which is estimated at approx. 37 PLN/GJ in variant ] and 42 PLN/GJ in variant 2 (~4.2 PLN = 1 €). The purpose of the calculations conducted was to draw attention to the positive aspects of using groundwater as the lower heat source for heat pump installations. Generally, the trend with heat pump installations appears to be to move away from the use of water and towards promoting the use of the heat accumulated in the ground. This solution is less problematic from the technical and legal points of view. Unfortunately, as shown by calculation results, it is not more effective in energy, environmental and economic terms.

Słowa kluczowe

PL

ogrzewanie; pompa ciepła typu woda-woda; pompa ciepła typu solanka-woda; wymiennik ciepła; efektywność energetyczna

EN

heating; heat pomp; water/water heat pomp; brine/water heat pump; heat exchanger; energy efficiency

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 47, nr 4
• Strony: 152--157
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pająk L.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska

autor

Tomaszewska B.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Katedra Surowców Energetycznych

Bibliografia

• [1] Aste N., R.S. Adhikari, M. Manfren. 2013. "Cost optima] analysis of heat pump technology adoption in residential reference buildings". Renewable Energy (60): 615-624.
• [2] Brodowicz K., T. Dyakowski. 1990. Pompy ciepła. PWN. Warszawa, stron 208.
• [3] Busato R, R. Lazzarin, M. Noro. 2015. "Ground or solar source heat pump systems for space heating: Whichis better? Energetic assessment based on a case history". Energy and Buildings (102): 347-356.
• [4] EC European commission decision 2007/742/EC.
• [5] Esen H., E. Turgut. 2015. "Optimization of operating parameters of a ground coupled heat pump system by Taguchi method". Energy and Buildings (107): 329-334.
• [6] Fernandez-Seara J., A. Pereiro, S. Bastos, J. A. Dopazo. 2012. „Experimental evaluation of a geothermal heat pump for space heating and domestic hot water simultaneous production". Renewable Energy (48): 482-488.
• [7] Gonzalez G., A. Verhoef, P. L. Vidaled, B. Main, G. Gan, Y. Wu. 2012. "Interactions between the physical soil environment and a horizontal ground coupled heat pump, for a domestic site in the UK", Renewable Energy (44): 141-153.
• [8] Haiwen S., D. Lin, S. Jing, J. Xin, R. Zhiyong, Y. Haiyang. 2015. "Field measurement and energy efficiency enhancement potential of a seawater source heat pump district heating system". Energy and Buildings (105): 352-357.
• [9] Halás O. 2015. "Geothermal District Heating Systems in Slovakia - Current Status and Plans", Proceedings World Geothermal Congress. Melbourne, Australia, 19-25 April 2015, 1-5.
• [10] Jaszczur M., T. Śliwa. 2013. "The analysis of long-term borehole heat exchanger system exploitation". Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences 20 (3): 227-235.
• [11] Kang E. Ch., P. Riederer, S. Y. Yoo, E. J. Lee. 2013. "New approach to evaluate the seasonal performance of building integrated geothermal heat pump system". Renewable Energy (54): 51-54.
• [12] Kharseh M., L. Altorkmany, M. Al-Khawaja, F. Hassani. 2015. "Analysis of the effect of global climate change on ground source heat pump systems in different climate categories". Renewable Energy (78): 219-225.
• [13] Kusuda T., P. Achenbach. 1965. "Earth temperature and thermal diffusivity at selected stations in the united States". ASHRAE Transactions 71 (1): (61-75).
• [14] Lewandowski W. M. 2002. Proekologiczne źródła energii odnawialnej. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, stron 428.
• [15] Ministerstwo Infrastruktury i Rozwoju Rzeczypospolitej Polskiej 2014. „Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków" (http://www.mir.gov.pl/budownictwo/rynek_budowlany_ij:echni-ka/efektywnosc_energetyczna_budynkow/typowe_lata_meteorolo-giczne/strony/start.aspx), dostęp 2014.09.22.
• [16] Oleśkowicz Popiel Cz., J. Wojtkowiak. 2012. „Naturalne pole temperatury gruntu". Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 43 (4): 150-154.
• [17] Oleśkowicz Popiel Cz., J. Wojtkowiak. 2012. „Naturalne pole temperatury gruntu (dokończenie)". Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 43 (5): 205-209.
• [18] Pająk L., G. Holojuch. 2010. "Restrictions on use and effectiveness of compressor heat pumps in geothermal heating plants in Poland". Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 439 (1): 155-158.
• [19] Pająk L. 2007. „Wybrane zagadnienia dotyczące pozyskania ciepła z pierwotnych nośników biomasy". Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 38 (3): 22-27.
• [20] PN-EN 1997-1:2008. Projektowanie geotechniczne - Część 1: Zasady ogólne.
• [21] REGULATION (EC) No 1980/2000 OF THE EUROPEAN PAR-LIAMENT AND OF THE COUNCIL of 17 July 2000 on revised Community eco-label award scheme.
• [22] Rubik M., 2006. Pompy ciepła - poradnik. INSTAL, ISBN 83-88695-19-3, stron 271.
• [23] Sobieraj M. 2015. „Sprężarkowa pompa ciepła systemu powietrze/ woda". Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 46 (7): 269-275.
• [24] Tomaszewska B., G. Hołojuch. 2012. „Geothermal energy production on the background of the new legal regulations". Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 448 (2): 281-284.
• [25] Ustawa z dnia 18 1ipca 2001 r. Prawo wodne (t.j. Dz U z 2015 r.poz. 469).
• [26] Ustawa z dnia 9 czerwca 2011 r. - Prawo geologiczne i górnicze (t.j. Dz. U z 2015 r. poz. 196).
• [27] Vernier R., P. Laplaige, A. Desplan, C. Boissavy. "France Country Update". Proceedings World Geothermal Congress 2015. Melbourne, Australia, 19-25 April 2015, 1-8.
• [28] Weber J., B. Ganz, R. Schellschmidt, B. Sanner, R. Schulz. "Geothermal Energy Use in Germany". Proceedings World Geothermal Congress 2015. Melbourne, Australia, 19-25 April 2015, 1-15.
• [29] Wu W., B. Wang, T. You, W. Shi, X. Li. 2013. "A potential solution for thermal imbalance of ground source heat pump systems in cold regions: Ground source absorption heat pump". Renewable Energy (59): 39-48.
• [30] Zakrzewski B., W. Tuchowski, E. Złoczowska. 2015. „Efektywność powietrznych, gruntowych i wodnych sprężarkowych pomp ciepła". Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 46 (5): 192-198.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.