Pompy ciepła w istniejących budynkach cz. 2

Jak dobrze działają pompy ciepła w istniejących budynkach?

Na pytanie: „jak dobrze działa pompa ciepła?”, można odpowiedzieć, biorąc pod uwagę różne kryteria. „Jak dobrze” rozumiane jest najczęściej jako „jak efektywnie”. Efektywność pomp ciepła wyznaczana jest w pierwszej kolejności w laboratoriach dla określonych warunków pracy. W ten sposób uzyskiwane są tzw. współczynniki COP (ang. Coefficient of Performance). Dzięki tym wartościom możliwe jest porównanie w sposób znormalizowany różnych modeli pomp ciepła.

Dzięki współczynnikom COP możliwe jest również obliczenie tzw. sezonowych współczynników efektywności (SCOP), używając przy tym konkretnych planowanych parametrów działania instalacji. Dzięki tym wskaźnikom można oszacować np. oczekiwane koszty roczne działania przyszłej instalacji.

Ostatnim sposobem wyznaczania efektywności pomp ciepła są pomiary w rzeczywistych warunkach przez określony czas (najczęściej jeden rok). I to właśnie te wartości, nazywane najczęściej SPF (Seasonal Performance Factor), mówią o rzeczywistej efektywności uzyskanej dla konkretnej instalacji.

Efektywność pomp ciepła w warunkach rzeczywistych

Instytut Fraunhofera ISE przebadał w ciągu ostatnich 20 lat ok. 300 instalacji pomp ciepła w rzeczywistych warunkach działania, obliczając jednocześnie ich efektywność. Na rys. 1 przedstawiono wyniki dwóch projektów dotyczących istniejących budynków (w odróżnieniu od budynków nowo budowanych). Projekty te zostały przeprowadzone z ok. 10-letnim przesunięciem czasowym. Z tego powodu poprawę wartości ich średniej efektywności, np. dla gruntowych pomp ciepła z 3,3 na 4,1, można częściowo wytłumaczyć rozwojem technologicznym pomp ciepła. Innym powodem jest odmienny standard energetyczny badanych budynków.

Budynki analizowane w ramach pierwszego projektu w większości nie zostały poddane termomodernizacji, a w 90% z nich rozprowadzenie ciepła w pomieszczeniach realizowane było za pomocą grzejników. Wszystkie budynki badane w ramach drugiego projektu miały wprawdzie pomiędzy 15 a 150 lat, ale niektóre z nich poddane były wcześniej częściowej lub całkowitej termomodernizacji. Efektywność w obydwu projektach obliczana była z uwzględnieniem dwóch trybów pracy pompy ciepła – ogrzewania pomieszczeń oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. W bilansowaniu uwzględniano również energię elektryczną potrzebną do ewentualnej pracy grzałek elektrycznych.

Czytaj także: Pompa ciepła - poznaj całkowity koszt inwestycji >>

W okresie od czerwca 2018 do lipca 2019 roku powietrzne pompy ciepła uzyskały wartości efektywności od 2,5 do 3,8; średnia wyniosła 3,1. Dwa najlepsze wyniki uzyskane w budynkach po pełnej termomodernizacji nie zostały uwzględnione przy obliczaniu wartości średnich. 12 instalacji z gruntowymi pompami ciepła uzyskało średnią 4,1, przy przedziale wartości od 3,3 do 4,7. Najniższy wynik, 1,8, nie został uwzględniony przy obliczaniu średniej. Uzyskane wartości wskazują na dobre działanie pomp ciepła w istniejących budynkach. Znaczenie uzyskanych wyników, zarówno pod względem ekologicznym, jak i ekonomicznym, omówione zostanie w kolejnych odcinkach serii.

Wpływ temperatur zasilania oraz systemów rozprowadzenia ciepła

Przedstawione wcześniej średnie wartości efektywności badanych instalacji pozwalają jedynie na nakreślenie bardzo ogólnego obrazu działania pomp ciepła. Przykład bardziej dogłębnej analizy przedstawiono na rys. 2. Przedstawia on wyniki badań efektywności 41 instalacji powietrznych pomp ciepła działających w trybie ogrzewania pomieszczeń. Dla każdej instalacji przedstawiono efektywność uzyskaną w zależności od (dziennej) maksymalnej temperatury zasilania. Trzy kolory symbolizują różne systemy rozprowadzenia ciepła: pomarańczowy to budynki z grzejnikami, niebieski to systemy z ogrzewaniem podłogowym, a zielony symbolizuje układy mieszane.

W pierwszej kolejności zauważyć można generalną zależność – im niższa temperatura zasilania, tym wyższa efektywność. Zasady teoretyczne zostały więc potwierdzone w praktyce. Potwierdzono również drugie ogólne twierdzenie – systemy grzewcze z ogrzewaniem podłogowym osiągają wyższą efektywność niż systemy z grzejnikami.

Interesujący jest jednak fakt, że widoczny rozkład nie jest jednoznaczny. Większość wyników efektywności plasuje się między 3,0 i 4,0. Wartość średnia dla wszystkich instalacji to 3,3. Zarówno systemy z grzejnikami, jak i te z ogrzewaniem podłogowym uzyskały podobne wartości. Inaczej mówiąc, siedem instalacji z grzejnikami pracujących z podobnymi temperaturami zasilania, na poziomie ok. 48°C, osiągnęło efektywność pomiędzy 1,5 i 3,8. To bardzo duży rozstrzał, wskazujący na inne niż tylko temperatura zasilania czynniki wpływające na efektywność.

Przykładowo w dwóch instalacjach, które uzyskały „podejrzanie” niską efektywność, ok. 1,5, pracowały pompy ciepła starszej daty, mające jednocześnie niskie wartości współczynnika COP. Decydującym aspektem w tych przypadkach były jednak błędy projektowe i instalacyjne, które spowodowały w konsekwencji wadliwe działanie pomp ciepła i duży udział grzałek elektrycznych.

Przedstawione wyniki wskazują, że temperatura zasilania nie jest aspektem decydującym o efektywności pomp ciepła. Jest to pocieszające dla instalacji, w których stosunkowo wysoka temperatura zasilania jest niezbędna – również w takich instalacjach możliwe jest uzyskanie dobrej efektywności. Wyniki wskazują jednak również, że sam system niskotemperaturowy z ogrzewaniem podłogowym nie gwarantuje uzyskania wysokiej efektywności. W obu przypadkach niezbędne jest fachowe i poprawne planowanie, instalacja i uruchomienie instalacji z pompą ciepła. To one zdecydują o tym, jak efektywnie będzie działać dany system.

Dobre wyniki już dziś

Wyniki badań potwierdzają, że pompy ciepła jako urządzenia grzewcze mogą dobrze działać również w istniejących budynkach. Wynikające z ich pracy korzyści ekologiczne oraz ekonomiczne zostaną omówione dokładniej w kolejnych odcinkach serii. Badane urządzenia działały najczęściej bez problemów technicznych, usterki zdarzały się bardzo rzadko. W ostatnich latach zaobserwować można rozwój technologiczny pomp ciepła, który będzie z pewnością kontynuowany dzięki innowacyjnym rozwiązaniom. Podsumowując, należy stwierdzić, że wyniki uzyskiwane przez pompy ciepła już dziś należy uznać za (co najmniej) dobre.

Jaki wpływ na efektywność pomp ciepła mają grzałki elektryczne i jak często one działają

Systemy grzewcze bazujące na pompach ciepła wyposażone są najczęściej w grzałki elektryczne. Przejmują one funkcje grzewcze (całkowicie lub równolegle z pompą ciepła) od momentu przekroczenia określonej temperatury zewnętrznej, np. –5°C, moment ten nazywany jest punktem biwalentnym. Dzięki takiemu „wsparciu” możliwe jest ograniczenie maksymalnej koniecznej mocy grzewczej powietrznych pomp ciepła. Jest to nie tylko pozytywne pod względem ekonomicznym, pozwala również na lepsze działanie pompy ciepła w warunkach wyższych temperatur zewnętrznych. Zbyt duża rozbieżność pomiędzy mocą grzewczą pompy ciepła a zapotrzebowaniem budynku na ciepło skutkuje częstymi przerwami pracy sprężarki (kluczowego elementu pompy ciepła), co może negatywnie odbić się na długości jej życia. W przypadku tzw. inwerterowych pomp ciepła, potrafiących dopasowywać płynnie swoją moc grzewczą do panujących warunków działania, problem ten znacznie maleje.

W porównaniu z pompą ciepła grzałka elektryczna ma znacznie niższą efektywność. Przyjmuje się, że grzałki są w stanie zamienić jedną jednostkę energii elektrycznej w jedną jednostkę energii cieplnej, natomiast pompy ciepła dostarczają najczęściej 3–4 jednostki, są więc od 3 do 4 razy bardziej efektywne niż grzałki elektryczne.

Jeśli grzałka elektryczna działa w systemie grzewczym z pompą ciepła zbyt często, ma to negatywny wpływ zarówno na koszty działania instalacji, jak i jej bilans ekologiczny. Szeroko rozpowszechniony przesąd mówi o konieczności częstej pracy grzałek i związanym z tym niebezpieczeństwie „eksplodowania” kosztów eksploatacyjnych, jednak badania monitoringowe pomp ciepła w sposób jednoznaczny przeczą tej tezie.

Wyniki badań monitoringowych

Na rys. 3 pokazano wyniki przekrojowej analizy 266 pomp ciepła w rzeczywistych warunkach działania. Było to 117 powietrznych oraz 149 gruntowych pomp ciepła, które badano w ramach czterech projektów monitoringowych realizowanych w Niemczech w ostatnich 15 latach. Dwa z tych projektów realizowane były w budynkach nowych, a dwa kolejne w istniejących budynkach (starszych).

Ze 100% energii elektrycznej (powierzchnia koloru niebieskiego) uzyskano 292% energii cieplnej (zielona powierzchnia) w przypadku powietrznych pomp ciepła i 382% w przypadku gruntowych pomp ciepła. Odpowiada to wartościom sezonowej efektywności odpowiednio 2,9 i 3,8. Kolor pomarańczowy symbolizuje energię elektryczną zużytą do pracy grzałek. W przypadku powietrznych pomp ciepła udział energii elektrycznej koniecznej do pracy grzałek wyniósł jedynie 2,8%. Trzeba również wspomnieć, że w około połowie wszystkich instalacji nie zanotowano żadnej pracy grzałek (bez względu na rodzaj budynków).

Wyniki przeprowadzonego ostatnio projektu monitorowania pracy pomp ciepła w istniejących budynkach wskazują, że udział grzałek elektrycznych dla powietrznych pomp ciepła wyniósł jedynie 1,9%. Większe wartości zanotowano jedynie w przypadku błędnych ustawień instalacji, nielicznych usterek pomp ciepła lub w trybie zwalczania bakterii Legionella w wodzie użytkowej.

W grupie gruntowych pomp ciepła udział grzałek był jeszcze mniejszy i wyniósł dla wszystkich instalacji średnio 1,2%. W ok. 75% instalacji nie odnotowano żadnej pracy grzałek. Tak dobre wyniki prawdopodobnie nie są zaskoczeniem dla fachowców, ponieważ w systemach gruntowych pomp ciepła grzałki elektryczne pełnią jedynie funkcję zabezpieczającą w przypadku usterek pomp ciepła.

Ile kosztuje praca grzałek?

Realny udział grzałek elektrycznych jest zatem bardzo niewielki, a jakie koszty wiążą się z ich działaniem? Zależy to od wielu czynników. Przykładowe obliczenia przeprowadzono dla domu o powierzchni grzewczej 150 m², pompy ciepła działającej z efektywnością 3,0 oraz kosztów energii elektrycznej wynoszących 60 groszy za kilowatogodzinę. Przy takich założeniach udział grzałki elektrycznej na poziomie jednego procenta kosztować będzie rocznie dla domu niepoddanego termomodernizacji (o zapotrzebowaniu energetycznym 150 kWh/m²/rok) dokładnie 90 złotych. W przypadku budynków nowych, o zapotrzebowaniu cieplnym 50 kWh na 1 m², koszty roczne wyniosą jedynie 30 złotych.

Zarówno teoria, jak i praktyka są tu zgodne – w przypadku poprawnie zaplanowanych oraz zainstalowanych instalacji pomp ciepła grzałki elektryczne odgrywają jedynie marginalną rolę, a ich udział w całkowitym zużyciu energii elektrycznej nie powinien przekraczać 3%. Większy udział wskazuje na możliwości optymalizacji danej instalacji. Inaczej mówiąc, grzałki elektryczne w poprawnie działających instalacjach pomp ciepła nie mają znaczącego wpływu ani na efektywność tych instalacji, ani na koszty ich działania.

Przykładowe instalacje pomp ciepła w domach bez termomodernizacji lub z termomodernizacją częściową

Nie ma jak dobry przykład, ale jaki przykład jest „dobry” w kontekście pomp ciepła w istniejących budynkach? W znaczeniu „wzorowy” musiałby to być budynek poddany pełnej termomodernizacji, jednak taki dom nie stanowi dla pompy ciepła specjalnego wyzwania. W budynkach termomodernizowanych (czyli w stanie, do którego z czasem powinny dążyć wszystkie budynki) pompy ciepła pracują z podobną efektywnością jak w budynkach nowobudowanych, a więc bardzo dobrą. W tej części serii przedstawione zostaną przykłady dwóch domów, o których nie można powiedzieć, że są „dobrymi” przykładami pod względem energetycznym. Jednocześnie są to reprezentatywne przykłady budynków niepoddanych pełnej termomodernizacji, w których zainstalowane pompy ciepła osiągają jednak dobre wyniki.

Obydwa budynki nie należą do najmłodszych, jeden ma 84 lata (1937 r.) a drugi 48 lat (1973 r.). Usytuowane są w dwóch najzimniejszych strefach klimatycznych w Niemczech. W obydwu zainstalowane zostały pompy ciepła, żaden z nich nie ma instalacji ogrzewania podłogowego, ale grzejniki.

Przykład pierwszy

W starszym z przedstawionych domów nie przeprowadzono znaczących prac termomodernizacyjnych. Ani ściany zewnętrzne, ani dach czy piwnica nie zostały docieplone od momentu budowy, czyli od 84 lat. Wymienione zostały jedynie okna i odpowiadają one obecnym standardom termicznym. Nie dziwi więc bardzo wysokie zapotrzebowanie na energię cieplną. W roku, w którym dokonano pomiarów, do ogrzania domu niezbędne było 207 kWh/m2/rok. Razem z instalacją powietrznej pompy ciepła wymieniono również grzejniki. Zainstalowano tzw. grzejniki konwektorowe z wymuszonym przepływem powietrza. Grzejniki tego typu umożliwiają znaczne obniżenie niezbędnej temperatury zasilania systemu grzewczego. Jest to rozwiązanie szczególnie korzystne dla uzyskania wysokiej efektywności pompy ciepła.

Biorąc pod uwagę wysokie zapotrzebowanie na energię grzewczą, zainstalowana powietrzna pompa ciepła uzyskała bardzo dobrą efektywność, na poziomie 3,0. Udział dodatkowej grzałki elektrycznej był marginalny i nie przekroczył 1% całego zużycia energii elektrycznej. Przed wymianą systemu grzewczego dom ten ogrzewany był bezpośrednio grzejnikami elektrycznymi. Wymiana na pompę ciepła, przy jednoczesnym braku ingerencji w strukturę domu, przyniosła znaczące korzyści zarówno finansowe, jak i ekologiczne.

Przykład drugi

W drugim budynku gruntowa pompa ciepła z sondami pionowymi zastąpiła przed ponad dziesięcioma latami kocioł grzewczy na olej opałowy. Zarówno ściany, jak i okna są w oryginalnym stanie, a więc ich stan termiczny nie zmienił się od prawie 50 lat, jedynie ponad 30 lat temu został docieplony dach domu. Średnie zapotrzebowanie na energię cieplną w latach, w których wykonywane były pomiary, wyniosło ok. 100 kWh/m²/rok i jest tym samym trochę niższe od średniego zapotrzebowania budynków w Niemczech.

System grzewczy oparty na pompie ciepła został opomiarowany ok. 10 lat temu. Pomimo że średnia temperatura zasilania w tym systemie osiąga drugą najwyższą wartość wśród przebadanych gruntowych pomp ciepła i wynosi ok. 45°C, średnia efektywność pompy ciepła od lat kształtuje się na poziomie 3,7, z bardzo niewielkimi odchyleniami w poszczególnych latach. Tak jak dla większości gruntowych pomp ciepła, również w przypadku tej instalacji nie stwierdzono pracy grzałki elektrycznej. W pomieszczeniach zainstalowane są standardowe grzejniki płaskie i nie zostały one wymienione podczas wymiany systemu grzewczego. Powierzchnia ogrzewana budynku wynosi 170 m². Zgodnie z informacją od właściciela domu całkowite miesięczne koszty energii elektrycznej, zarówno dla pompy ciepła, jak i wszystkich innych urządzeń elektrycznych, wynoszą ok. 120 euro. Biorąc pod uwagę około dwukrotnie wyższą cenę energii elektrycznej w Niemczech, w warunkach polskich koszty te wynosiłyby ok. 270 zł.

Obydwa przedstawione przykłady wskazują wyraźnie, że pompy ciepła są w stanie uzyskiwać dobrą efektywność w budynkach poddanych jedynie niewielkim zabiegom termomodernizacyjnym. W obu przypadkach można śmiało mówić o standardowych instalacjach. Domy te są reprezentatywne dla dużej liczby podobnych obiektów zarówno pod względem architektonicznym, fizyki budowli, jak i zastosowanych rozwiązań pomp ciepła. W przypadku pierwszego z prezentowanych budynków widać wyraźnie, jak duży pozytywny wpływ na uzyskane wyniki ma przeprowadzenie celowych (wymiana grzejników), a zarazem niezbyt kosztownych zmian systemu grzewczego. Wiele innych przykładów opisanych w raporcie końcowym niemieckiego projektu monitoringowego [2] daje szeroki obraz działania pomp ciepła w istniejących budynkach.

Literatura

1. https://www.waermepumpe.de/presse/referenzob­jekte/bwp-datenbank/?tx_bwprefobjdb_house%5 Bdetailid%5D=183&tx_bwprefobjdb_house% 5Bac­tion%5D=show&tx_bwprefobjdb_house%5Bcontroller%5D=House#content
2. https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/downloads/pdf/Forschungsprojekte/BMWi-03ET1272A-WPsmart_im_Bestand-Schlussbericht.pdf
3. https://portpc.pl/pompy-ciepla-w-istniejacych-budynkach/