Pompy ciepła w istniejących budynkach
fot. De Dietrich
Czy pompy ciepła nadają się wyłącznie do budynków nowych lub w pełni termomodernizowanych? Choć informacja taka jest często powtarzana, praktyka wskazuje, że nie można uznać jej za wiarygodną. Ponadto to właśnie istniejące budynki przesądzą o osiągnięciu neutralności klimatycznej systemów grzewczych.
Nadrzędnym celem w ogrzewnictwie jest obecnie stosowanie rozwiązań niepowodujących emisji dwutlenku węgla. Pompy ciepła, zarówno w rozwiązaniach indywidualnych, jak i sieciowych, są technologią kluczową do spełnienia tego celu.
Z każdym kolejnym opracowaniem, scenariuszem czy prognozą jasno mówiącą o bardzo ważnej lub nawet decydującej roli pomp ciepła w dekarbonizacji systemów grzewczych, pojawiają się również pytania:
- W jaki sposób pompy ciepła mogą być stosowane w istniejących budynkach?
- Czy są one w stanie zapewnić wymagane wysokie temperatury zasilania układów grzewczych w przypadku zastosowania systemu opartego na grzejnikach? Co z ich efektywnością w tego typu budynkach?
- Czy można nazwać działanie pomp ciepła w budynkach istniejących/starszych ekologicznym?
Przygotowana przez autora seria materiałów pt. „Pompy ciepła w istniejących budynkach” powstała w celu rzetelnej odpowiedzi na powyższe pytania. Głównym założeniem jest dogłębne przeanalizowanie, czy fakty popierają utrzymujące się przekonania dotyczące omawianego tematu, a w konsekwencji dostarczenie wiedzy niezbędnej do podejmowania decyzji zmierzających do osiągnięcia neutralności klimatycznej w sektorze grzewczym.
Opracowanie podzielono na 12 części, które sukcesywnie ukazują się na stronie Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła pod adresem: https://portpc.pl/pompy-ciepla-w-istniejacych-budynkach/. To wiedza zebrana przez autora podczas dwudziestu lat badań nad pompami ciepła w niemieckim Instytucie Fraunhofera ISE. W tym czasie przebadano m.in. około 300 rzeczywistych instalacji pomp ciepła w budynkach jednorodzinnych różnych klas energetycznych.
Projekty badawcze z ostatnich lat poświęcone były budynkom starszym. Uzyskane wyniki w sposób jednoznaczny wskazują na możliwość celowego stosowania pomp ciepła w budynkach niepoddanych termomodernizacji lub poddanych jej jedynie częściowo. Pompy ciepła są w stanie zapewnić mieszkańcom wymagany komfort termiczny, jednocześnie pracując z efektywnością pozwalającą uzyskiwać korzyści ekologiczne w porównaniu do instalacji na paliwa kopalne. Znalezienie odpowiednich rozwiązań oraz ich implementacja w praktyce będzie w niektórych przypadkach pewnym wyzwaniem.
Nie znaczy to jednak, że należy generalnie poddawać w wątpliwość sensowność stosowania pomp ciepła w istniejących budynkach. Bez wątpienia instalacja pomp ciepła powinna w przyszłości przebiegać szybciej i łatwiej, a działające systemy pracować będą z coraz większą efektywnością, dla wzmocnienia zarówno efektu ekologicznego, jak i ekonomicznego. Cała branża pomp ciepła zmierza obecnie w tym kierunku.
Inaczej mówiąc, nie powinniśmy dłużej czekać, ale stosować dojrzałe rozwiązanie technologicznie, ekonomicznie sensowne, a zarazem decydująco wspierające dekarbonizację sektora grzewczego.
W ramach prezentowanej serii omówione zostanie wiele powszechnie pojawiających się argumentów przeciw stosowaniu pomp ciepła wraz z analizą wyników badań i pomiarów zaprzeczających często utartym przekonaniom.
Efektywność pomp ciepła
Czy pompy ciepła są w stanie zapewnić wystarczająco wysokie temperatury systemu grzewczego?
Dlaczego maksymalna wymagana temperatura zasilania nie decyduje o efektywności?
W dyskusji dotyczącej zastosowania pomp ciepła w istniejących budynkach głównym argumentem przeciwko jest wysoka temperatura zasilania systemu grzewczego. Ma ona prowadzić do niskiej efektywności pomp ciepła, a w konsekwencji być parametrem wykluczającym sensowność ich stosowania. W tym kontekście należy odpowiedzieć na dwa pytania:
- Czy pompy ciepła generalnie są w stanie zapewnić konieczne w budynkach istniejących temperatury?
- Jak wysokie są te temperatury w rzeczywistości?
Odpowiedź na pierwsze pytanie zależy od wielu technicznych aspektów, m.in. rodzaju czynnika roboczego oraz charakterystyki kompresora.
Ogólnie można powiedzieć, że standardowe pompy ciepła osiągają bez problemów temperatury z zakresu od 55 do 60°C i jest to szacunek bezpieczny, bo tzw. wysokotemperaturowe pompy ciepła osiągają temperatury rzędu 65–70°C (warto wspomnieć, że to określenie zarezerwowane jest dla zastosowań przemysłowych i pomp ciepła osiągających ponad 100°C). Na rynku dostępne są również urządzenia osiągające temperaturę 75°C, np. pompy ciepła z naturalnym czynnikiem roboczym – propanem.
Zatem na pierwsze pytanie można odpowiedzieć twierdząco: dostępne pompy ciepła są w stanie (w większości przypadków) zapewnić wymagane temperatury systemu grzewczego bez udziału dodatkowych grzałek elektrycznych.
Wyniki uzyskane podczas realizacji wieloletniego projektu monitoringowego pomp ciepła w istniejących domach jednorodzinnych w Niemczech, przeprowadzonego przez Instytut Fraunhofera ISE, wykazały stosunkowo wysokie średnie wartości efektywności badanych pomp ciepła. Dla wielu mogą być one nawet pewnym zaskoczeniem.
Wyniki te przyniosły jeszcze jedną niespodziankę – stosunkowo niskie średnie wartości temperatury zasilania systemu grzewczego. Po dogłębnej analizie zostały również „znalezione” oczekiwane, i przez wielu uważane za konieczne, wysokie temperatury zasilania. Miało to jednak miejsce jedynie podczas najzimniejszych dni w roku i tylko w przypadku nielicznych instalacji. Liczba tych dni była tak niewielka, że efektywność pomp ciepła w tych momentach miała niewielki wpływ na średnią efektywność roczną. Nawet w przypadku budynków bez termomodernizacji, wyposażonych w konwencjonalne grzejniki, wymagana temperatura zasilania wynosiła około 55°C. Była ona jednocześnie wystarczająca do zapewnienia mieszkańcom pożądanego komfortu termicznego.
Opisywany fenomen można wyjaśnić, posługując się poniższym rysunkiem.
Efektywność pracy pomp ciepła w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego i temperatury zasilania instalacji grzewczej; rys. ©Fraunhofer ISE
Generalnie, im niższa temperatura zewnętrzna (oś pozioma), tym wyższa temperatura zasilania systemu grzewczego (linia pomarańczowa) i niższa efektywność pompy ciepła (linia zielona).
Decydującym parametrem dla średniej (rocznej) efektywności pompy ciepła jest to, kiedy (przy jakich temperaturach zewnętrznych) dostarczane jest ciepło na cele grzewcze (niebieska powierzchnia pod osią poziomą).
W zależności od wielu czynników, głównie od stanu energetycznego budynku oraz strefy klimatycznej, 75–90% dostarczanej energii cieplnej „wytwarzana” jest podczas umiarkowanie niskich temperatur zewnętrznych. To z kolei ma wpływ na stosunkowo niskie temperatury zasilania systemu grzewczego, a w konsekwencji na dobrą efektywność pomp ciepła.
Podsumowując, można stwierdzić, że,
- po pierwsze, pompy ciepła w większości przypadków są w stanie zapewnić wymagane temperatury zasilania również przy niskich temperaturach zewnętrznych.
- A po drugie, że decydująca dla średniej efektywności instalacji z pompą ciepła nie jest najwyższa, ale właśnie średnia wymagana temperatura zasilania.
Te dwa fakty pozwalają na stwierdzenie, że pompy ciepła są w stanie skutecznie dostarczyć wymagane ciepło również w budynkach starszych, pracując jednocześnie z akceptowalną efektywnością.
Opisywane wnioski potwierdza program monitoringowy przeprowadzony w Szwajcarii. Również w ramach tego projektu badano pompy ciepła, m.in. w budynkach starszych o różnym poziomie termomodernizacji. Podobnie jak w przypadku niemieckiego projektu, także podczas badań szwajcarskich maksymalne temperatury w budynkach niewyposażonych w ogrzewanie podłogowe sięgały około 55°C.
Główny wniosek autorów tych badań brzmi: „Poprawnie zaplanowane i zainstalowane instalacje z pompami ciepła są w stanie w sposób efektywny zastąpić systemy grzewcze oparte na paliwach kopalnych”.
Warto zauważyć, jak duże znaczenie miałoby przeprowadzenie podobnego projektu monitoringowego również w Polsce. Umożliwiłoby to nie tylko uwzględnienie polskich warunków pogodowych oraz charakterystyki budynków, ale również pozwoliło na niezależną ocenę i analizę urządzeń dostępnych w Polsce, w tym pomp ciepła polskich producentów.
Czy można zainstalować pompę ciepła bez wcześniejszej termomodernizacji budynku?
Oczywiście: im mniejsze zapotrzebowanie na energię cieplną wystarczającą do zapewnienia komfortowej temperatury pomieszczeń, tym lepiej. Z tego względu wszelkie działania termomodernizacyjne zmniejszające to zapotrzebowanie są działaniami sensownymi i pożądanymi. Dotyczy to wszystkich systemów grzewczych, nie tylko pomp ciepła. Nie zmienia to faktu, że termomodernizacja często nie jest warunkiem koniecznym do zainstalowania systemu grzewczego bazującego na pompie ciepła.
Należy też wziąć pod uwagę, że pełna lub częściowa termomodernizacja nie jest czasami z różnych powodów krótkoterminowo możliwa. Na szczęście nie jest ona również niezbędna, aby rozważyć instalację pompy ciepła.
Oczywiście z perspektywy efektywności pompy ciepła im mniejsze straty ciepła w budynku, tym lepiej. Zarówno portfel mieszkańców, jak i ekologia zyskują na możliwie niskim zapotrzebowaniu na energię grzewczą.
Decydującym aspektem przy podejmowaniu decyzji o ogrzewaniu z pompą ciepła są wymagane temperatury systemu grzewczego (omówione powyżej). W wielu przypadkach instalacje centralnego ogrzewania w budynkach, a szczególnie grzejniki, są znacząco przewymiarowane. Daje to możliwość obniżenia temperatury zasilania przy wymianie źródła ciepła na pompę ciepła, a co za tym idzie, poprawy jej przyszłej efektywności.
W wielu przypadkach w starszych budynkach przeprowadzono mniejsze lub większe zabiegi termomodernizacyjne (np. wymianę okien). Tego typu działania są często wystarczające dla poprawnej pracy pompy ciepła.
Warto również wspomnieć o stosunkowo łatwych do zrealizowania i relatywnie tanich sposobach, które wspomagają efektywność pomp ciepła w istniejących budynkach. Może to być na przykład wymiana pojedynczych grzejników na tzw. grzejniki niskotemperaturowe.
Nowoczesne grzejniki są w stanie przekazać do pomieszczeń tę samą ilość ciepła co tradycyjne, jednocześnie potrzebując znacznie niższej temperatury zasilania. Tego typu proste działania mogą być pierwszym krokiem w długoterminowym procesie termomodernizacyjnym. Każdy kolejny krok będzie polepszał nie tylko energooszczędność budynku, ale i efektywność pompy ciepła.
Jednym z największych przesądów dotyczących pomp ciepła jest twierdzenie, że mogą one pracować jedynie z ogrzewaniem płaszczyznowym, a więc podłogowym, sufitowym lub ściennym. Tezie tej przeczą nie tylko prawa fizyki, ale i tysiące instalacji pomp ciepła w sposób skuteczny i efektywny współdziałających z grzejnikami. W badaniach monitoringowych przeprowadzonych w Instytucie Fraunhofera ISE jedynie niewielka liczba badanych instalacji pomp ciepła w połączeniu z grzejnikami osiągała średnie wartości temperatury zasilania przewyższające 45°C dla zapewnienia komfortu termicznego. W większości instalacji wystarczały średnie temperatury poniżej 40°C. Jest to jedynie potwierdzeniem, że zastosowanie grzejników nie musi automatycznie wiązać się z koniecznością ich zasilania „bardzo wysokimi” temperaturami.
Czy w istniejących budynkach ogrzewanych pompami ciepła jest ciepło?
Kluczowe pytanie wszystkich użytkowników dotyczy podstawowej funkcji systemu grzewczego i brzmi: Czy pompy ciepła są w stanie zapewnić odpowiednie temperatury pomieszczeń podczas niskich temperatur zewnętrznych?
Podobnie jak w Polsce, pierwsze dwa tygodnie lutego bieżącego roku należały w Niemczech do bardzo zimnych. Dzięki temu można było sprawdzić, jak radzą sobie powietrzne pompy ciepła, biorące udział w niemieckim programie monitoringowym, w trudnych warunkach atmosferycznych.
Najnowsza analiza danych pomiarowych z 20 instalacji powietrznych pomp ciepła wykazała, że średnia temperatura powietrza z analizowanego okresu dla wszystkich instalacji podczas ich pracy wyniosła -3,6°C (dla porównania w ciągu ostatnich 50 lat jedynie w okresie 5 miesięcy odnotowano w Niemczech średnie temperatury zewnętrzne poniżej -3,5°C).
Średnia efektywność pomp ciepła w 17 instalacjach (trzy najlepsze instalacje w budynkach w pełni termomodernizowanych nie zostały uwzględnione) wyniosła w tym czasie 2,3. Zakres wyników wynosił od 1,6 do 2,8.
Tak więc nawet w tak zimnym okresie z jednej kilowatogodziny energii elektrycznej pompy zapewniały średnio ponad dwukrotnie więcej ciepła.
Warto wspomnieć, że instalacja o najniższej efektywności pracowała w najtrudniejszych warunkach klimatycznych – średnia temperatura zewnętrzna wynosiła -10,2°C. Jedynie w przypadku 5 instalacji zarejestrowano pracę grzałek elektrycznych. I, co najważniejsze, wszystkie instalacje zapewniły pożądany komfort termiczny mieszkańcom.
O tym, że pompy ciepła mogą być z powodzeniem stosowane również przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych, świadczy również fakt, iż są one powszechnie używane w krajach o bardzo srogich zimach, np. w Skandynawii. Na rynku pomp ciepła dostępne są produkty, które mogą pracować nawet w temperaturze -25°C bez dodatkowej grzałki elektrycznej.
Jak działa pompa ciepła zainstalowana przed termomodernizacją budynku?
W związku z modernizacją często zadawane sąrównież pytania:
- Co się stanie, jeśli najpierw zainstaluje się pompę ciepła, a następnie budynek zostanie poddany termomodernizacji?
- Czy pompa ciepła będzie wtedy przewymiarowana?
Późniejsza modernizacja gwarantuje przede wszystkim zwiększenie efektywności pracy pomp ciepła.
Z zasady pompy ciepła zapewniają wymagane ciepło zarówno podczas niewielkich chłodów, jak i w trakcie mroźnych zim. Oznacza to, że muszą reagować elastycznie w całym okresie grzewczym. Dlatego przewymiarowanie (poza skrajnymi przypadkami) nie stanowi większego problemu technicznego. Ponadto technologia inwerterowa stosowana w pompach ciepła, która stała się już niemal standardem, umożliwia regulację mocy cieplnej pompy i dzięki temu elastyczną reakcję na zmieniające się zapotrzebowanie przy jednoczesnym zachowaniu dobrej efektywności.
Jednoznacznie można więc powiedzieć, że pompy ciepła mogą być sensownie stosowane również w istniejących budynkach. Mimo że, co do zasady, zawsze lepiej najpierw przeprowadzić termomodernizację, a dopiero później wymienić instalację grzewczą, nie jest to absolutnie konieczne do zainstalowania pompy ciepła.
W większości przypadków dobre rozwiązanie z pompą ciepła można zastosować również w budynkach bez wcześniejszej termomodernizacji lub jedynie z termomodernizacją częściową. Już w tej chwili istnieją firmy instalatorskie specjalizujące się w takich przypadkach. A w przyszłości musi się ich pojawić znacznie więcej.
Literatura
1. https://portpc.pl/pompy-ciepla-w-istniejacych-budynkach/
2. Prognos, Öko-Institut, Wuppertal Institut (2020), Klimaneutrales Deutschland. Studie im Auftrag von Agora Energiewende, Agora Verkehrswende und Stiftung Klimaneutralität, https://www.stiftung-klima.de/de/themen/klimaneu tralitaet/
3. Fraunhofer ISE 2020, Wege zu einem klimaneutralen. Die deutsche Energiewende im Kontext gesellschaftlicher Verhaltensweisen, https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Fraunhofer-ISE-Studie-Wege-zu-einem-klimaneutralen -Energiesystem.pdf
4. Ausfelder et al. (Hrsg.), Sektorkopplung – Untersuchungen und Überlegungen zur Entwicklung eines integrierten Energiesystems (Schriftenreihe Energiesysteme
der Zukunft), München 2017, https://energiesysteme-zukunft.de/fileadmin/user_upload/Publikationen/PDFs/ESYS_Analyse_Sektorkopplung.pdf
5. Günther et al., Fraunhofer ISE (2020) Wärmepumpen in Bestandsgebäuden: Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt „WPsmart im Bestand”, https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/download/pdf/Forschungsprojekte/BMWi-03ET1272A-WPsmart_im_Bestand-Schluss bericht.pdf
6. Prinzing et al., OST – Ostschweizer Fachhochschule 2020: Bericht „Feldmessungen von Wärmepumpen-Anlagen Heizsaison 2019/20”,https://www.ost.ch/fileadmin/dateiliste/3_forschung_dienstleistung/institute/ies/wpz/sonstige_wichtige_dokumente/2020_jahresbericht_feld messungen.pdf
