Czy pompy ciepła będą w przyszłości jeszcze lepiej dopasowane do istniejących budynków?

Chcąc odpowiedzieć na pytanie „czy warto czekać z instalacją pompy ciepła na dalszy rozwój technologiczny tych urządzeń?”, trzeba rozważyć po pierwsze „czy technologia ta osiągnęła już wystarczającą dojrzałość, aby ją stosować z dobrymi wynikami?”, a po drugie „jakie korzyści mogą płynąć z dalszego rozwoju technologicznego?”.

Obecny stan rozwoju technologii pomp ciepła

Wyniki opisanych w serii publikacji autora programów monitoringowych, będących jednocześnie podstawą do ekolo­gicznej i ekonomicznej oceny pomp ciepła, bazują na stanie technologicznym sprzed 5–10 lat. Już wtedy powietrzne pompy ciepła wyposażone były w większości w elektroniczne zawory rozprężne przynoszące znaczną poprawę efektywności. Niektóre z badanych pomp ciepła miały kompresory umożliwiające regulację mocy – dzisiaj to już standard. Pokazuje to, jak duży rozwój technologiczny tych urządzeń można było obserwować w ostatnich latach.

Podobnie jak w przypadku innych dojrzałych urządzeń technicznych, na rynku dostępna jest cała paleta produktów charakteryzujących się różną ceną i wiążącą się z tym często różną efektywnością. Jako podstawę do dalszych rozważań przyjęto bardzo szeroką listę pomp ciepła, które zostały objęte dofinansowaniem na rynku niemieckim (tzw. listę BAFA).

W odniesieniu do wszystkich urządzeń znajdujących się na tej liście podano efektywność dla danego punktu pracy. Przykładowo dla temperatury powietrza zewnętrznego 2°C oraz temperatury zasilania 35°C wartości efektywności COP dla powietrznych pomp ciepła wynoszą od 3,1 aż do 4,7.

Zobacz też: Jak chronić domowe instalacje fotowoltaiczne przed skutkami wyładowań piorunowych i przepięć?

Tak duża rozpiętość wyników obrazuje, jak zróżnicowane, jeśli chodzi o zaawansowanie technologiczne, są produkty dostępne na rynku. Pokazuje również, jak wysoką efektywność można uzyskać przy dzisiejszym rozwoju technologicznym.

Kolejnym etapem w rozwoju urządzeń powinno być zatem osiągnięcie dobrej efektywności przy niższych kosztach. Rozwój ten będzie naturalną konsekwencją szybko rosnącej liczby produkowanych pomp ciepła.

I jeszcze jeden argument: Europejskie Stowarzyszenie Pomp Ciepła (EHPA) podało ostatnio dane rynkowe dotyczące 21 europejskich krajów. Zainstalowano w nich już łącznie prawie 15 mln pomp ciepła, obecnie co roku przybywa ich 1,6 mln, z tendencją do szybkiego wzrostu. Niedojrzała rozwojowo technologia nie byłaby w stanie osiągnąć takich wyników.

Czy pompy ciepła będą w przyszłości jeszcze lepiej dopasowane do istniejących budynków?

Międzynarodowe targi ISH we Frankfurcie nad Menem są zawsze bardzo dobrym barometrem trendów technicznych. Większość producentów pomp ciepła zaprezentowało w 2021 roku rozwiązania przeznaczone dla istniejących budynków. Cały szereg nowych produktów działa w oparciu o przyjazne środowisku czynniki robocze, które często „przy okazji” umożliwiają również osiągnięcie wyższych temperatur zasilania. Przykładem może być propan, dzięki któremu pompy ciepła mogą zapewnić temperaturę systemu grzewczego na poziomie 75°C. Widać więc wyraźnie, że nie jest już problemem dobranie odpowiedniego produktu nawet dla budynków wymagających wysokiej temperatury systemu grzewczego (patrz cz. 2 serii – na www.portpc.pl lub w „Rynku Instalacyjnym” nr 4/2021 s. 31).

Przed 20–30 laty głównym zadaniem specjalistów z branży było przekonanie potencjalnych użytkowników, że pompy ciepła w ogóle działają. Jeszcze ok. 10 lat temu kolejnym krokiem było udowodnienie, że pompy ciepła są w stanie pracować z wysoką efektywnością. Obecnie, jeśli tylko instalacja została poprawnie zaprojektowana i zainstalowana, jest to łatwe do osiągnięcia. Coraz mniejsze znaczenie ma samo urządzenie, w związku z czym rośnie waga poprawnego wykonawstwa instalacji.

Obecne struktury rynkowe i procesy działania nie są jeszcze przygotowane, aby możliwe było instalowanie koniecznej do spełnienia celów klimatycznych liczby pomp ciepła – dotyczy to nie tylko Polski, ale i wielu innych krajów. Coraz częściej klienci skarżą się na problemy z uzyskaniem oferty oraz odległe terminy instalacji. Im lepsze i jaśniejsze są sygnały ze strony politycznej oraz instytucjonalnej polecające i wspierające instalację pomp ciepła, tym większe wyzwania czekają tę branżę.

Możliwe kierunki rozwoju

Rozwój technologiczny pomp ciepła odpowiada obecnie zróżnicowanym potrzebom odbiorców końcowych i nie skupia się na jednym celu. Próba kategoryzacji potrzeb i celów rozwojowych podjęta została w ramach międzynarodowego projektu Annex 55 CCB (https://heatpumpingtechnologies.org/annex55/).

Cztery możliwe cele rozwojowe schematycznie przedstawione zostały na rys. 1.

Pierwszy kierunek rozwojowy – „optymalizacja ceny” – nakierowany jest na stworzenie produktu masowego. Produkty z tej grupy nie będą może miały doskonałych wyników pod względem efektywności, ale atrakcyjną cenę.

Drugim kierunkiem jest maksymalizacja elastyczności działania pompy ciepła oraz jej zdolności do „komunikowania” się ze światem zewnętrznym. Dotyczy to zarówno możliwości reagowania na chwilowe warunki systemu energetycznego, jak i optymalizacji w obrębie danego (inteligentnego) obiektu.

Kolejny kierunek to uzyskanie możliwie kompaktowych urządzeń. W zależności od rynku lub sytuacji mieszkaniowej ten aspekt często okazuje się decydujący przy podejmowaniu decyzji o wyborze nowego systemu grzewczego.

Ostatnim kierunkiem, szczegółowo niezdefiniowanym, jest „luksusowy” wariant produktów. W tym przypadku takie aspekty, jak kompaktowość czy możliwie niska cena, prawdopodobnie nie będą odgrywać znaczącej roli. Cenione będzie za to zaawansowanie technologiczne, maksymalna efektywność czy wygląd (design) urządzenia.

Podsumowując, można z całą pewnością stwierdzić, że z punktu widzenia klientów końcowych nie ma powodów, by czekać z decyzją o wyborze tej technologii na jej dalszy rozwój. Na rynku dostępna jest już cała paleta produktów zaspokajających indywidualne wymagania. Prawdopodobnie w przyszłości pompy ciepła będzie można łatwiej, a co za tym idzie, szybciej zainstalować. Może będą one mogły również samodzielnie optymalizować swoją pracę. Nie zmienia to jednak faktu, że nie będą one „znacznie lepiej pasować” do zastosowań zarówno w budynkach nowych, jak i istniejących.

Czy warto łączyć pompę ciepła z kotłem na inne paliwa?

Przed analizą zasadności stosowania systemów hybrydowych warto wyjaśnić lub przypomnieć klika pojęć. Najprostszą formą instalacji pompy ciepła jest system „monowalentny” – w tym przypadku całe niezbędne ciepło zapewniane jest wyłącznie dzięki pompie ciepła. Choć wiele systemów działa właśnie w taki sposób, większość instalacji wyposażona jest w dodatkową grzałkę elektryczną. Ponieważ zarówno grzałka, jak i pompa ciepła używają tego samego nośnika energii (prądu), systemy tego typu noszą nazwę „monoenergetycznych”.

Jeśli oprócz pompy ciepła w systemie grzewczym pracuje inny generator ciepła (np. kocioł gazowy lub olejowy), mówimy o systemach „biwalentnych”. Pojęciem „hybrydowy” określane są najczęściej systemy, w których dwa agregaty grzewcze stanowią jedno urządzenie lub przynajmniej posiadają wspólną jednostkę sterującą (rys. główny).

Na rynku dostępne są zarówno urządzenia z dominującą pompą ciepła dodatkowo wyposażoną w niedużej mocy „szczytowy” kocioł grzewczy, jak i kotły gazowe lub olejowe o mocy grzewczej zdecydowanie większej niż dodatkowa niewielka pompa ciepła.

Kiedy należy rozważyć instalację systemu hybrydowego?

Pierwszym przypadkiem byłoby duże zapotrzebowanie danego domu na energię grzewczą i związaną z tym niezbędną moc grzewczą. Gdyby pompa ciepła nie była w stanie zapewnić odpowiedniej ilości ciepła w każdych warunkach, należałoby ją „wesprzeć” dodatkowym urządzeniem grzewczym. Przy odpowiednim doborze pompy ciepła opisana sytuacja jest w odniesieniu do domów jednorodzinnych mało prawdopodobna. Wyniki badań monitoringowych dobitnie wskazują, że pompy ciepła są w stanie dostarczyć odpowiednią ilość ciepła nawet w przypadku bardzo niskich temperatur zewnętrznych – albo pokrywając całe zapotrzebowanie autonomicznie, albo z niewielkim udziałem grzałek elektrycznych (patrz cz. 2 i 5 serii – na www.portpc.pl lub w „Rynku Instalacyjnym” nr 4/2021 s. 31 i w „Rynku Instalacyjnym” nr 5/2021 s. 92).

Problem zbyt małej mocy cieplnej może występować w przypadku większych budynków wielorodzinnych ze względu na ograniczone możliwości zastosowania większych urządzeń czy wymienników gruntowych.

Drugim z powodów, dla których warto przeanalizować zasadność zastosowania systemu hybrydowego, jest aspekt ekologiczny. Wraz z obniżaniem się temperatury zewnętrznej maleje efektywność pomp ciepła. Poniżej jej określonej wartości i w połączeniu z energią elektryczną, której produkcja bazuje na kopalnych źródłach energii, użycie kotła gazowego może powodować mniejszą emisję dwutlenku węgla niż zastosowanie pompy ciepła (patrz cz. 7 serii – na www.portpc.pl lub w „Rynku Instalacyjnym” nr 6/2021 s. 36).

Trzecim z takich powodów jest ekonomia. Efektywność pompy ciepła, zależna od temperatury zewnętrznej, jest decydująca dla chwilowych kosztów eksploatacyjnych instalacji. Poniżej jej określonej wartości bardziej opłacalne może być chwilowe grzanie kotłem gazowym, a nie pompą ciepła.

Oba wymienione powyżej aspekty, czyli ekologia i ekonomia, zależą również od innych parametrów niż efektywność pompy ciepła. W przypadku aspektu ekologicznego, a więc dążenia do możliwie najmniejszej emisji dwutlenku węgla, są to wskaźniki emisji energii elektrycznej. Natomiast w przypadku ekonomii dominującym parametrem jest cena energii elektrycznej, względnie gazu ziemnego.

Rys. 2 wskazuje, od jakiej temperatury zewnętrznej korzystniejsze będzie działanie pompy ciepła lub kotła gazowego z obu perspektyw, ekologicznej oraz ekonomicznej.

Podstawą obliczeń jest rozkład energii grzewczej przypadający na każdy stopień temperatury zewnętrznej oraz powietrzna pompa ciepła o efektywności COP 3,7 w punkcie pracy A2/W35. Przyjętą wartość należy uznać za raczej konserwatywną. Na rynku dostępne są produkty osiągające w tym samym punkcie pomiarowym efektywność od 3,1 do 4,7. Jako system rozprowadzenia ciepła przyjęto grzejniki i odpowiednie dla nich temperatury systemu grzewczego.

Obok „temperatur granicznych”, poniżej których korzystniej jest ogrzewać kotłem gazowym niż pompą ciepła, wykazano również procentowy udział energii grzewczej pokrywanej przez pompę ciepła w okresie, kiedy ma ona przewagę nad kotłem gazowym. Dla przykładu, biorąc pod uwagę ekologię oraz dane wyjściowe dla roku 2019, pompa ciepła pokrywa korzystniej 71% energii grzewczej, a kocioł gazowy pracuje korzystniej poniżej temperatury 0°C. Ma to związek ze wskaźnikami emisji energii elektrycznej. Wraz ze wzrostem udziału energii odnawialnej przy produkcji energii elektrycznej wskaźniki te będą miały coraz mniejsze wartości, a granica opłacalności ekologicznej pomp ciepła będzie się przesuwać. I tak po roku 2025 szacowane wskaźniki emisji będą prawdopodobnie niższe od 550 g CO₂ na kWh. Przy takich wartościach temperatura graniczna wynosi –8°C, a pompa ciepła pokrywa korzystniej już 97% energii cieplnej. Tendencja ta będzie się pogłębiać wraz z upływem ­czasu.

Aspekty ekonomiczne stosowania urządzeń hybrydowych

Perspektywa ekonomiczna uzależniona jest od cen energii elektrycznej i gazu ziemnego. Dokładniej kwestia ta została omówiona w cz. 8 serii (na www.portpc.pl lub w „Rynku Instalacyjnym” nr 6/2021 s. 36). Uwzględniając obecne średnie ceny energii elektrycznej oraz gazu ziemnego na poziomie odpowiednio 0,6 oraz 0,2 zł, temperatura graniczna wynosi –3°C, a pompa ciepła pokrywa korzystniej od kotła gazowego blisko 90% zapotrzebowania na ciepło. Zakładając wzrost cen gazu ziemnego do poziomu 0,28 zł, na przykład poprzez stopniowe wprowadzanie podatku od emisji CO₂, temperatura graniczna spada do –14°C, a co za tym idzie bardziej opłacalna staje się praca pompy ciepła w 100%.

Pełne porównanie ekonomiczne powinno uwzględniać również koszty inwestycyjne, nieuwzględnione w omówionych przykładach. Można jednak założyć, że różnice w cenach urządzeń hybrydowych oraz samodzielnych pomp ciepła nie powinny wypadać negatywnie dla tych drugich.

Przedstawione obliczenia pokazują wyraźnie niewielkie korzyści wynikające ze stosowania urządzeń hybrydowych, zarówno pod względem ekologicznym, jak i ekonomicznym. Bilans ekologiczny będzie się z roku na rok poprawiał dla samodzielnych pomp ciepła wraz ze wzrastającym udziałem energii ze źródeł odnawialnych. Z ekonomicznego punktu widzenia już teraz trudno uzasadnić stosowanie instalacji hybrydowych. Zmniejszenie ceny energii elektrycznej, na przykład poprzez stosowanie taryf dedykowanych pompom ciepła lub własnej instalacji fotowoltaicznej, przy jednoczesnym prawdopodobnym wzroście cen gazu ziemnego w przyszłości tym bardziej stawia instalacje hybrydowe pod znakiem zapytania.

Pozytywny przykład stosowania instalacji hybrydowych

Ciekawym przykładem pokazującym, że w specyficznych warunkach stosowanie instalacji hybrydowych w istniejących budynkach może mieć zarówno ekonomiczne, jak i ekologiczne uzasadnienie, jest model stosowany w Holandii. W przypadku istniejących instalacji z kotłami gazowymi instalowane są jako urządzenia dodatkowe (add-on) pompy ciepła niewielkiej mocy. Te zarówno niewielkie gabarytowo, jak i niedrogie urządzenia wykorzystują jako źródło ciepła powietrze wywiewane z pomieszczeń. Jest to możliwe dzięki temu, że większość domów w Holandii jest wyposażona w mechaniczne systemy wentylacyjne. W połączeniu z niskimi cenami energii elektrycznej użytkownicy tego typu układów hybrydowych mogą znacznie obniżyć koszty ogrzewania przy jednoczesnych niewielkich nakładach inwestycyjnych.