Pompy ciepła w rolnictwie — zastosowania i opłacalność

Przemysłowa instalacja pompy ciepła. Źródło: Wikimedia Commons (CC)

Pompy ciepła w zastosowaniach rolniczych stanowią alternatywę dla tradycyjnych kotłów gazowych i węglowych. W warunkach polskich ich zastosowanie w szklarniach i tunelach foliowych jest uzasadnione szczególnie tam, gdzie istnieje możliwość pobrania energii z gruntu lub wody gruntowej.

Zasada działania i współczynnik COP

Pompa ciepła działa na zasadzie odwróconego cyklu chłodniczego — pobiera energię cieplną ze źródła niskotemperaturowego (grunt, powietrze, woda) i podnosi jej temperaturę do poziomu użytkowego. Kluczowym parametrem charakteryzującym efektywność pompy jest współczynnik COP (Coefficient of Performance), czyli stosunek uzyskanego ciepła do zużytej energii elektrycznej.

W przypadku gruntowych pomp ciepła COP wynosi zazwyczaj od 3 do 5 w warunkach pracy ustalonej, co oznacza, że na każdą jednostkę energii elektrycznej uzyskuje się od trzech do pięciu jednostek energii cieplnej. Dla powietrznych pomp ciepła COP jest zmienny i spada wyraźnie przy niskich temperaturach zewnętrznych — poniżej -10°C może obniżyć się do wartości bliskich 1,5–2,0.

Sezonowa efektywność SCOP

Bardziej miarodajnym wskaźnikiem niż jednorazowy pomiar COP jest sezonowy współczynnik efektywności SCOP, obliczany dla całego sezonu grzewczego. W Polsce, przy zmiennych warunkach klimatycznych, gruntowa pompa ciepła osiąga SCOP na poziomie 3,5–4,5 dla ogrzewania budynków, a w zastosowaniach szklarniowych — nieco niżej ze względu na specyfikę obciążenia cieplnego.

Typy pomp ciepła stosowanych w szklarniach

Gruntowe pompy ciepła (solankowe)

W szklarniach o dużej powierzchni i odpowiednich warunkach gruntowych stosuje się układy z gruntowymi wymiennikami ciepła w postaci pionowych sond geotermalnych lub poziomych kolektorów. Sondy pionowe wymagają wierceń do głębokości od 80 do 150 m i zajmują mało miejsca na powierzchni, co jest istotne przy rozbudowanych kompleksach szklarniowych. Poziome kolektory potrzebują dużych powierzchni terenu — zazwyczaj od 1,5 do 2,5 razy większych niż ogrzewana powierzchnia szklarni.

Powietrzne pompy ciepła

Agregaty powietrzne są tańsze w instalacji, nie wymagają robót ziemnych ani wierceń, ale ich efektywność jest silniej uzależniona od temperatury zewnętrznej. W polskim klimacie stosowane są najczęściej jako uzupełnienie innego systemu grzewczego — np. jako wspomaganie kotłów gazowych w okresach przejściowych (wiosna, jesień).

Parowniki powietrznej pompy ciepła. Źródło: Wikimedia Commons (CC)

Pompy woda-woda

Tam, gdzie dostępna jest woda gruntowa o odpowiedniej wydajności i temperatury, pompy typu woda-woda osiągają najwyższe współczynniki COP. Wymagają jednak studni zrzutowej i pobierającej oraz analizy składu chemicznego wody pod kątem ryzyka korozji i kamienia w wymiennikach.

Zastosowanie w szklarniach w Polsce

Polskie szklarnie korzystające z pomp ciepła to głównie obiekty produkujące rośliny ozdobne, zioła i warzywa liściowe, gdzie wymagana temperatura nocna utrzymuje się na poziomie 10–18°C. Dla upraw wymagających wyższych temperatur (pomidor, ogórek) sama pompa ciepła może być niewystarczającym źródłem ciepła w czasie najostrzejszych mrozów i zazwyczaj jest uzupełniana kotłem szczytowym.

Kwestia ekonomiczna

Decyzja o wyborze pompy ciepła jako źródła ciepła w szklarni zależy od kilku zmiennych:

• lokalne ceny energii elektrycznej (taryfy dla rolnictwa) i paliwa alternatywnego
• koszty inwestycyjne instalacji (sondy geotermalne to koszt kilkudziesięciu do kilkuset tysięcy złotych zależnie od skali)
• dostępne dofinansowania — programy krajowe i europejskie dla modernizacji energetycznej w rolnictwie
• wymagania temperaturowe danej uprawy i długość sezonu grzewczego

Analiza opłacalności powinna uwzględniać nie tylko prosty okres zwrotu, ale również zmienność cen nośników energii na przestrzeni kilku lat.

Źródła

• Agencja Restrukturyzacji i Modernizacji Rolnictwa
• Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej