Pierwsze pompy ciepła, które przejdą konkurs Departamentu Energii dotyczący pomp ciepła w zimnym klimacie, mogą pojawić się w amerykańskich domach do końca roku.
Wyzwaniem postawionym przez Departament Energii dla przemysłu było zbudowanie energooszczędnych, w pełni elektrycznych jednostek HVAC, które mogłyby dobrze działać w tych częściach Stanów Zjednoczonych, w których panują prawdziwe zimy, a także przełamanie stereotypu, że pompy ciepła nie są w stanie wytrzymać zimnej pogody.
Carrier i Lennox ogłosiły w tym tygodniu, że ich najnowsze modele, przystosowane do chłodniejszych klimatów, zjeżdżają już z linii produkcyjnych i powinny być dostępne dla konsumentów w listopadzie lub grudniu. Minęły zaledwie trzy lata od Wyzwanie DOE rzucone producentomw tym dwie zimy testów w domach w północnych Stanach Zjednoczonych i Kanadzie. W wyzwaniu uczestniczy także sześć innych firm, a niektóre z nich rozpoczynają drugą zimę testów w terenie.
„To ogromne osiągnięcie” – powiedział Ram Narayanamurthyzastępca dyrektora Biura Technologii Budowlanych DOE. „Jest to branża, w której stworzenie produktu od chwili zastanowienia do wprowadzenia go na rynek zajmuje zwykle około pięciu lat”.
Na razie można się spodziewać, że pompy ciepła dla chłodniejszego klimatu znajdą się w górnej części skali cen, ale eksperci rządowi i branżowi twierdzą, że konkurencja i skala powinny obniżyć te ceny w ciągu najbliższych kilku lat.
Dlaczego pompy ciepła zmagają się z zimnem
Nazwa „pompa ciepła” jest nieco myląca, biorąc pod uwagę, że obejmuje tylko połowę funkcji urządzenia. Pompy ciepła zapewniają zarówno ogrzewanie, jak i chłodzenie, zasadniczo zastępując zarówno piec, jak i klimatyzator. Działają poprzez kondensację i przenoszenie energii cieplnej (ciepła) z jednego miejsca do drugiego, przenosząc ją na zewnątrz, gdy chcesz schłodzić dom, i do wewnątrz, gdy chcesz, aby ogrzała dom. Twoja lodówka działa na tej samej zasadzie.
Problem polega na tym, że powietrzne pompy ciepła – te, które wymieniają ciepło z powietrzem na zewnątrz – stają się mniej wydajne, gdy temperatura na zewnątrz oddala się od temperatury wewnątrz. (Istnieją inne typy, takie jak geotermalne pompy ciepła, które wymieniają ciepło pod ziemią.) Obecna generacja pomp ciepła ma tendencję do borykania się z problemami, gdy temperatura spada do 0 stopni Fahrenheita i tak naprawdę nie działa znacznie poniżej zera. To sprawia, że są one mniej przydatne w zastępowaniu ogrzewania zasilanego paliwami kopalnymi w północnych Stanach Zjednoczonych i Kanadzie.
Wyzwaniem postawionym przez DOE dla branży było udoskonalenie technologii, która może stawić czoła temu wyzwaniu, tworząc system, który mógłby działać równie efektywnie w temperaturze 5 stopni Fahrenheita, jak przy 47 stopniach Fahrenheita, i który jest w stanie działać nawet w temperaturze -15 stopni Fahrenheita .
„DoE zapewnił wsparcie polegające na możliwości testowania go w laboratoriach, ale także współpracy z producentami w celu wypuszczenia go w teren i testowania przez dwie zimy” – powiedział Narayanamurthy.
Jak pompy ciepła mogą pokonać niskie temperatury
Wyzwanie rzucone przez rząd zachęciło firmy do dążenia do spełnienia określonych specyfikacji i znalezienia sposobów, aby jednostki je spełniały. Prakash Bedapudi, wiceprezes wykonawczy i dyrektor ds. technologii w firmie Lennox, powiedział, że inżynierowie producenta HVAC zintensyfikowali prace nad stworzeniem jednostek testowych, w których wykorzystano technologię zaczerpniętą z jego najbardziej wydajnych pomp ciepła.
Lennox zbudował swoją jednostkę tak, aby wykorzystywała wtrysk pary, wtrysk cieczy i sprężarkę o zmiennej prędkości, aby umożliwić pobieranie większej ilości ciepła z powietrza na zewnątrz, gdy temperatura spada, powiedział Bedapudi. Wtrysk pary i wtrysk cieczy pozwalają urządzeniu zużyć więcej czynnika chłodniczego na raz, przekazując więcej energii. „To trochę jak doładowanie silnika samochodu” – powiedział. Sprężarka o zmiennej prędkości umożliwia pompie ciepła szybszy przepływ czynnika chłodniczego, gdy temperatura jest niższa.
Firma Carrier zastosowała także sprężarkę o zmiennej prędkości, która może działać skuteczniej w niższych temperaturach, powiedział Michael Carter, zastępca dyrektora Carrier ds. zarządzania produktami do zastosowań zewnętrznych w budynkach mieszkalnych. Carter powiedział, że w połączeniu z nowymi czynnikami chłodniczymi i innymi zmianami urządzenie Carriera jest tak samo wydajne w temperaturze 5 stopni, jak przy 47 stopniach i może nadal działać do -23 stopni (choć nie tak wydajnie).
„Jedną z korzyści, jakie daje to konsumentom, jest możliwość zainwestowania w pompę ciepła, która zapewnia najwyższą ilość ciepła w tych temperaturach, skracając czas lub zmniejszając potrzebę przełączania się na zapasowe źródło ciepła, – powiedział Carter.
Z laboratorium do domu
Pierwszym etapem wyzwania były testy laboratoryjne w laboratorium krajowym w Oak Ridge DOE. Gdy urządzenia sprawdziły się w laboratorium, przeniesiono je w teren, aby sprawdzić, czy rzeczywiście działają zgodnie z oczekiwaniami. Pompy ciepła zostały zainstalowane w domach w kilku zimnych stanach USA i w Kanadzie po testach wspomaganych przez Laboratorium Krajowe Pacific Northwest DOE.
„To jest dosłownie w czyimś domu” – powiedział Narayanamurthy.
Testy nauczyły producentów o ich sprzęcie. Carter stwierdził, że pompa ciepła Carrier wymagała większego przepływu powietrza, niż była w stanie obsłużyć sieć kanałów w niektórych domach testowych. Może to stanowić problem przy próbie modernizacji istniejącego domu, ale nie stanowi problemu w przypadku nowo budowanych domów, które można zaprojektować z uwzględnieniem niezbędnej sieci kanałów.
Teraz producenci zaczynają produkować pompy ciepła dla konsumentów. Lennox spodziewa się, że jednostki będą dostępne w sprzedaży w listopadzie, natomiast Carrier spodziewa się rozpoczęcia sprzedaży w grudniu.
Wyższa cena za lepszą pompę ciepła
Wadą jest to, że jednostki te będą kosztować więcej niż standardowe pompy ciepła, które już kosztują nieco więcej niż centralne klimatyzatory. Choć ceny różnią się w zależności od regionu, instalatora i nie tylko, zarówno Lennox, jak i Carrier twierdzą, że oczekują cen na poziomie lub nieco wyższym niż w przypadku ich obecnych, najwyższej klasy modeli, które kosztują kilka tysięcy dolarów.
„Naszym wyzwaniem jest: jak obniżyć koszty?” – powiedział Bedapudi.
Zamiarem DOE w tym wyzwaniu było zachęcenie całej branży do rozpoczęcia budowania tych modeli i wprowadzania innowacji, aby mogły ze sobą konkurować. „To, co staramy się zbudować, to rozszerzony rynek” – powiedział Narayanamurthy. Departament Energii ma nadzieję, że z czasem koszty komponentów spadną, a pompy ciepła do stosowania w zimnym klimacie staną się bardziej konkurencyjne kosztowo.
Warto zaznaczyć, że duża część kosztów instalacji pompy ciepła nie pochodzi od samego urządzenia, ale od pracy związanej z podłączeniem jej do domu. Może to obejmować przewody, prace elektryczne lub inne koszty nieuwzględnione w tysiącach dolarów za samo urządzenie. Ale wszystko to kwalifikuje się również do ulg podatkowych i rabatów na mocy federalnej ustawy o ograniczaniu inflacji oraz innych zachęt w zakresie technologii czystej energii. Federalna ulga podatkowa pokryje 30% kosztów instalacji pompy ciepła, do maksymalnej kwoty 2000 dolarów. Inne rabaty mogą być dostępne w stanach.
