Jak pompy ciepła radzą sobie w niskich temperaturach? Energia odnawialna w trudnych warunkach

Pompy ciepła stały się kluczowym narzędziem w globalnej transformacji energetycznej, zmierzającej w kierunku czystej i niezawodnej energii. Niejednokrotnie jednak w mediach i komentarzach można spotkać się z opinią, jakoby wydajność tych urządzeń nie była wystarczająca w czasie występowania ujemnych temperatur. Kolejne analizy i badania obalają jednak ten mit. W publikacji pt. „Coming in from the cold: Heat pump efficiency at low temperatures”, która ukazała się w czasopiśmie specjalistycznym Joule 7 we wrześniu 2023 r., brytyjscy naukowcy opisali wyniki badań nad efektywnością pomp ciepła w chłodnym klimacie. Analizie poddano 550 instalacji zlokalizowanych Europie, Azji i Ameryce Północnej. Co wykazały badania?
  

Pompy ciepła, a ich wydajność wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej  

Wydajność pompy ciepła jest mierzona współczynnikiem COP (Coefficient of Performance), który wyraża stosunek użytecznego ciepła dostarczonego przez urządzenie do zużytej w tym celu energii. Typowe wartości COP dla pomp ciepła mieszczą się w zakresie od 3 do nawet 6, co oznacza, że ​​z każdej zużytej jednostki energii elektrycznej powstaje od 3 do 6 jednostek ciepła. Średni całoroczny współczynnik COP pomp ciepła przeznaczonych do zastosowania w domach wynosi od 3 do 4. Decydujący wpływ na wydajność pompy ciepła ma różnica temperatur pomiędzy dolnym źródłem ciepła (powietrzem zewnętrznym/gruntem), a górnym źródłem (odbiornikiem ciepła - systemem grzewczym). Jeśli temperatura dolnego źródła spada, a temperatura odbiornika ciepła utrzymywana jest na tym samym poziomie, współczynnik COP pompy ciepła maleje.

Gruntowe pompy ciepła zapewniają zazwyczaj bardzo wysoki poziom wydajności, nawet w bardzo niskich temperaturach. Dzieje się tak, ponieważ temperatura gruntu poniżej strefy przemarzania nie zmienia się znacząco między porami roku, co skutkuje wyższym i bardziej stałym współczynnikiem COP. Pompy ciepła wykorzystujące energię gruntową, w przeciwieństwie do urządzeń powietrznych, nie muszą również zużywać energii na odraszanie.

W przypadku powietrznych pomp ciepła w czasie występowania niskich temperatur zewnętrznych spadek wydajności jest bardziej wyraźny w porównaniu z urządzeniami gruntowymi. Może on być dodatkowo powodowany koniecznością odraszania podzespołów pompy, co zapobiega powstawaniu warstwy szronu (lodu), który mógłby zakłócać przepływ powietrza przez jednostkę zewnętrzną. Nie oznacza to jednak, że powietrzne pompy ciepła nie pracują wydajnie przy ujemnych temperaturach zewnętrznych.  
  

Powietrzne pompy ciepła w czasie mrozów

Według badań omówionych w publikacji „Coming in from the cold: Heat pump efficiency at low temperatures”, nawet znacznie poniżej 0°C wydajność pompy ciepła jest nadal znacznie wyższa niż systemów grzewczych zasilanych paliwami kopalnymi, np. na olejem opałowym lub gazem, oraz energią elektryczną.  

Standardowe pompy ciepła typu powietrze/woda badane przez naukowców wykazały odpowiednie współczynniki wydajności, zapewniające wydajne ogrzewanie w czasie zim, podczas których temperatury rzadko spadały poniżej -10°C, czyli występujących w większości Europy. Utrzymywały one średnie współczynniki COP między 2 a 3 (średnio 2,75) przy temperaturach zewnętrznych w przedziale od +5°C do -10°C.

W ekstremalnie zimnych klimatach, w których najniższe temperatury zewnętrzne zbliżają się do -30°C, dane dotyczące wydajności powietrznych pomp ciepła przeznaczonych do pracy w zimnym klimacie wykazały, że urządzenia te mogą osiągać współczynniki COP powyżej 1,5 w ekstremalnie niskich temperaturach.

Wyniki badań wykazują, że powietrzne pompy ciepła są wydajnym rozwiązaniem grzewczym w klimatach ze średnią temperaturą stycznia powyżej -10°C. Poniżej 0°C współczynnik COP utrzymuje się na poziomie znacznie powyżej 2 we wszystkich przypadkach, co oznacza, że ​​pompa ciepła powietrze/woda będzie działać z wydajnością dwukrotnie większą niż ogrzewanie paliwami kopalnymi.
  

Pompa ciepła zimą a dodatkowe urządzenie grzewcze

Większość krajów europejskich doświadcza łagodniejszych zim z minimalnymi temperaturami powyżej -10°C. Wyniki badań opisane w publikacji „Coming in from the cold: Heat pump efficiency at low temperatures” sugerują, że pompy ciepła można z powodzeniem instalować w takich warunkach bez obaw o wydajność lub potrzebę instalacji hybrydowej (dodatkowej mocy grzewczej). Jest to oczywiście uzależnione od dokładnego zaprojektowania systemu grzewczego w budynku i wysokiej jakości instalacji. W przypadku klimatów, w których występują ekstremalnie niskie temperatury, testy wydajności wykazały, że pompy ciepła mogą działać z COP między 1,5 a 2. Jednak biorąc pod uwagę wzrost zapotrzebowania na ogrzewanie i spadek wydajności urządzenia, może być wymagana jakaś forma dodatkowego ogrzewania.

Badacze podkreślają, że choć COP dobrze obrazuje efektywność pomp ciepła w niskich temperaturach, branie jedynie tego czynnika pod uwagę może być niewystarczające. Istotne jest bowiem również to, jak w zimnym klimacie sprawdzają się poszczególne komponenty urządzenia (np. sprężarka). Zagadnienie eksploatacji pomp ciepła w niskich temperaturach ma wciąż duży potencjał do rozwinięcia, co nie zmienia jednak faktu, że praca tych urządzeń również w takich warunkach jest wydajna.    

Źródło: „Coming in from the cold: Heat pump efficiency at low temperatures” 09.2023 - Joule volume 7 - by Duncan Gibba, Dr. Jan Rosenowa, Dr. Richard Lowesa, Prof. Neil J. Hewittd