Symulacyjna ocena efektywności powietrznej pompy ciepła w referencyjnym budynku jednorodzinnym metodą Monte Carlo analiza sezonowej efektywności energetycznej i ryzyka kosztowego
DOI:
https://doi.org/10.17512/INSTAL.2026.10.01Słowa kluczowe:
pompa ciepła powietrze/woda, symulacja stochastyczna (Monte Carlo), sezonowy wskaźnik efektywności (SCOP), luka wydajnościowa, ciepła woda użytkowa (c.w.u.), ryzyko kosztowe eksploatacjiAbstrakt
Rzeczywista efektywność eksploatacyjna powietrznych pomp ciepła odbiega od wartości certyfikowanych, a rozbieżność ta, określana jako luka wydajnościowa, bywa w badaniach polowych raportowana na poziomie 24-30%. Celem pracy jest ilościowe rozłożenie tej luki na składniki oraz wskazanie, które z nich wynikają z fizyki pracy urządzenia, a które z przyjętej granicy bilansowej i założeń obliczeniowych. Zastosowano autorski dobowy model quasi--ustalony pompy ciepła, zaimplementowany w środowisku R i połączony z symulacją Monte Carlo o 5000 iteracjach. Chwilowy współczynnik efektywności wyznaczany jest ze sprawności odniesionej do obiegu Carnota, kalibrowanej do certyfikowanej mapy producenta. Model zasilają dobowe dane meteorologiczne IMGW ze stacji Wrocław-Strachowice za lata 2020–2025. Bilans ciepłej wody użytkowej uszczegółowiono sezonowym modelem temperatury wody wodociągowej oraz stochastycznym modułem nieobecności. Referencję stanowi wskaźnik sezonowy wyznaczony zaadaptowaną metodą binową według PN-EN 14825, na tym samym ciągu meteorologicznym i tej samej mapie wydajności. Luka wydajnościowa nie jest pojedynczą liczbą, lecz funkcją przyjętego poboru pomocniczego: wynosi 2,7% przy poborze zerowym, 5,3% przy 15 W, 10,9% przy przyjętych 50 W i 17,7% przy 100 W, przy czym dla roku 2025 i wartości przyjętej w modelu mieści się w sześcioleciu 2020-2025 w przedziale 10,1-13,9%. Dominującą składową różnicy jest bilans energii pomocniczej, przy przyjętych 50 W odpowiadający za 74% luki, przy czym pobór pomocniczy zmierzono w części postojowej, natomiast poboru osprzętu w godzinach pracy sprężarki licznik nie wyodrębnia. Wielkością wymagającą pomiaru jest zatem sam pobór pomocniczy, a nie luka wydajnościowa jako taka. Mediany sezonowego wskaźnika efektywności netto mieszczą się w przedziale 2,99-3,40. Roczne koszty eksploatacji mieszczą się między 5. a 95. percentylem w przedziale 5684-6227 zł przy medianie 5945 zł, a ich rozrzut pochodzi głównie ze zmienności jakości wykonania instalacji. Model porównano z pomiarem z rzeczywistej instalacji w oknie 226 dób sezonu grzewczego: na granicy bilansowej jednostki wskaźnik zmierzony wynosi 3,0960 wobec mediany modelowej 3,1538, a więc o 1,87% niżej. Głównym ograniczeniem pracy pozostaje dobowy krok czasowy, który nie odtwarza taktowania sprężarki ani godzinowych szczytów zapotrzebowania. Przedstawione wyniki dotyczą przyjętego budynku referencyjnego i analizowanych scenariuszy, nie zaś efektywności konkretnej instalacji.
Pobrania
Bibliografia
[1] Mouzeviris G. A., Papakostas K. T. (2021). Comparative analysis of air-to-water and ground source heat pumps performances. International Journal of Sustainable Energy, 40, 69–84.
[2] Ermel C., Bianchi M. V. A., Schneider P. S. (2023). Energy Model to Evaluate Thermal Energy Storage Integrated with Air Source Heat Pumps: Preprint. National Renewable Energy Laboratory, NREL/CP-5500-82601. https://www.nrel.gov/docs/fy23osti/82601.pdf
[3] Gan M. (2024). A novel solar-assisted air source heat pump system for urban renewal: Experimental test and numerical simulation. Applied and Computational Engineering, 91, 116–130.
[4] Olympios A. V., Aunedi M., Mersch M., Krishnaswamy A., Stollery C., Pantaleo A. M., Sapin P., Strbac G., Markides C. N. (2022). Delivering net-zero carbon heat: Technoeconomic and whole-system comparisons of domestic electricity- and hydrogen-driven technologies in the UK. Energy Conversion and Management, 262, 115649. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115649
[5] Wang Z., Luther M. B., Amirkhani M., Liu C., Horan P. (2021). State of the Art on Heat Pumps for Residential Buildings. Buildings, 11, 350. https://doi.org/10.3390/buildings11080350
[6] Pinamonti M., Beausoleil-Morrison I., Prada A., Baggio P. (2021). Water-to-water heat pump integration in a solar seasonal storage system for space heating and domestic hot water production of a single-family house in a cold climate. Solar Energy, 213, 300–311. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.11.052
[7] Sebarchievici C. (2019). Performance assessment between a ground coupled and air source heat pump used for domestic hot water preparation. E3S Web of Conferences, 111, 06075. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201911106075
[8] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2022 poz. 1225, z późn. zm.).
[9] Brudermueller T., Potthoff U., Fleisch E. i in. (2025). Estimation of energy efficiency of heat pumps in residential buildings using real operation data. Nature Communications, 16, 2834. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58014-y
[10] O’Hegarty R., Kinnane O., Lennon D., Colclough S. (2022). Air-to-water heat pumps: Review and analysis of the performance gap between in-use and product rated performance. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 155, 111887. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111887
[11] Carroll P., Chesser M., Lyons P. (2020). Air Source Heat Pumps field studies: A systematic literature review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 134, 110275. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110275
[12] Conti P., Bartoli C., Franco A., Testi D. (2020). Experimental Analysis of an Air Heat Pump for Heating Service Using a “Hardware-In-The-Loop” System. Energies, 13, 4498. https://doi.org/10.3390/en13174498
[13] Brudermueller T., Kreft M., Fleisch E., Staake T. (2023). Large-scale monitoring of residential heat pump cycling using smart meter data. Applied Energy, 350, 121734. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.121734
[14] Botu M., Atanasiu M., Ursescu G., Rakosi E. (2023). Retrofit of a standard split-type air conditioner into an air-to-water heat pump. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1290, 012005. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1290/1/012005
[15] Cong T. N., Noël F., Rivière P., Arzano-Daurelle C., Marchio D. (2021). In-situ method for air-to-air heat pump seasonal performance determination including steady-state and dynamic operations. International Journal of Refrigeration, 127, 82–92. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.02.021
[16] Priarone A., Silenzi F., Fossa M. (2020). Modelling Heat Pumps with Variable EER and COP in EnergyPlus: A Case Study Applied to Ground Source and Heat Recovery Heat Pump Systems. Energies, 13, 794. https://doi.org/10.3390/en13040794
[17] Sankelo P., Ahmed K., Mikola A., Kurnitski J. (2022). Renovation Results of Finnish Single-Family Renovation Subsidies: Oil Boiler Replacement with Heat Pumps. Energies, 15, 7620. https://doi.org/10.3390/en15207620
[18] PN-EN 14825:2022 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń — Badanie i ocena w warunkach niepełnego obciążenia oraz obliczanie efektywności sezonowej.
[19] Abid M., Hewitt N., Huang M.-J., Wilson C., Cotter D. (2021). Performance Analysis of the Developed Air Source Heat Pump System at Low-to-Medium and High Supply Temperatures for Irish Housing Stock Heat Load Applications. Sustainability, 13, 11753. https://doi.org/10.3390/su132111753
[20] Lämmle M., Bongs C., Wapler J., Günther D., Hess S., Kropp M., Herkel S. (2022). Performance of air and ground source heat pumps retrofitted to radiator heating systems and measures to reduce space heating temperatures in existing buildings. Energy, 242, 122952. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.122952
[21] Lämmle M., Metz J., Kropp M., Wapler J., Oltersdorf T., Günther D., Herkel S., Bongs C. (2023). Heat Pump Systems in Existing Multifamily Buildings: A Meta-Analysis of Field Measurement Data Focusing on the Relationship of Temperature and Performance of Heat Pump Systems. Energy Technology, 11, 2300379. https://doi.org/10.1002/ente.202300379
[22] PN-EN 14511-1÷4:2018 Klimatyzatory, ziębiarki cieczy i pompy ciepła ze sprężarkami o napędzie elektrycznym, do grzania i ziębienia.
[23] PN-EN 12831-1:2017 Charakterystyka energetyczna budynków — Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego — Część 1: Obciążenie cieplne.
[24] Lisowska-Lis A., Leszczyński R. (2018). Air–water heat pump applied as water boiler in single-family house, coefficient of performance analysis under the real conditions. Science, Technology and Innovation, 3, 58–61. https://doi.org/10.5604/01.3001.0012.8166
[25] Meireles I., Sousa V., Bleys B., Poncelet B. (2022). Domestic hot water consumption pattern: Relation with total water consumption and air temperature. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 157, 112035. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.112035
[26] Reza A. M. M., Rogoża A. (2024). Life cycle assessment of a condensing gas boiler and compare with an air source heat pump in a residential building. Mokslas – Lietuvos ateitis / Science – Future of Lithuania, 16. https://doi.org/10.3846/mla.2024.21298
[27] Balke E. C., Healy W. M., Ullah T. (2016). An assessment of efficient water heating options for an all-electric single family residence in a mixed-humid climate. Energy and Buildings, 133, 371–380. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.09.052
[28] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2023/959 z dnia 10 maja 2023 r. zmieniająca dyrektywę 2003/87/WE ustanawiającą system handlu przydziałami emisji gazów cieplarnianych w Unii oraz decyzję (UE) 2015/1814 (Dz.Urz. UE L 130 z 16.05.2023).
[29] Masiukiewicz M., Tańczuk M., Anweiler S., Streckienė G., Boldyryev S. (2025). Long-term climate-based sizing and economic assessment of air-water heat pumps for residential heating. Applied Thermal Engineering, 258, 124627. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.124627
Opublikowane
Numer
Dział
Kategorie
Licencja
Prawa autorskie (c) 2026 Grzegorz Bartnicki, Magdalena Walczak (Autor)
Utwór dostępny jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0 Międzynarodowe.
Authors retain copyright and grant the journal the right of first publication, with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits others to share the work with appropriate acknowledgment of the authorship and initial publication in this journal.
