Łączenie pomp ciepła z instalacjami grzejnikowymi w istniejących budynkach

Im lepsza izolacyjność termiczna budynku oraz mniejsze nieszczelności powodujące nadmierne straty ciepła, tym większy komfort cieplny i korzystniejsze koszty eksploatacyjne, a także większe możliwości stosowania różnych źródeł zasilania instalacji ogrzewania. Przed decyzją o wymianie kotła na pompę ciepła lub budowie instalacji w układzie hybrydowym ważna jest wiedza nt. ilości zużywanej energii i ponoszonych kosztów ogrzewania oraz przygotowania c.w.u. O ile w przypadku kotłów gazowych dane o ilości zużytego gazu są dostępne na fakturach i znana jest jego wartość opałowa, to dla węgla może brakować dokładnych informacji dotyczących zużycia (mogą być dostępne dane nt. ilości zakupionego węgla), różna też bywa wartość opałowa tego paliwa, a także efektywność spalania.

Na rys. 1 zestawiono szacunkowe roczne zużycie gazu ziemnego na cele grzewcze w budynkach o różnym standardzie energetycznym przypadające na 1 m² powierzchni ogrzewanej. Różnice są znaczne – np. budynki budowane przed 1990 rokiem, zakładając, że rzeczywiście spełniały ówczesne wymagania, zużywają dwukrotnie więcej energii niż te budowane w latach 1990–2002. Natomiast budynki budowane zgodnie z wymaganiami obowiązującymi od 2021 roku zużywają blisko czterokrotnie mniej energii niż te sprzed 1990. Innymi słowy, domy w standardzie sprzed 1990 r. zużywają na pokrycie strat ciepła przez przegrody i wentylację ponad 200 kWh/(m²·rok), domy energooszczędne (standard WT 2021) 55 kWh/(m²·rok), a domy tzw. pasywne, czyli o standardzie wyższym, niż wymagają obecne przepisy (czyli mające m.in. system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła i lepszą stolarkę oraz izolację termiczną), tylko ok. 15–20 kWh/(m²·rok). Im mniejsze zapotrzebowanie budynku na energię, tym bardziej zasadne jest stosowanie pomp ciepła.

Według danych POBE – Porozumienia Branżowego na rzecz Efektywności Energetycznej (na IV kw. 2024 r.) roczny koszt ogrzewania budynku o powierzchni 150 m² w standardzie sprzed 1990 roku oraz przygotowania c.w.u. dla czterech osób wynosi:

• 14 tys. zł dla instalacji grzejnikowej o temperaturze zasilania 55°C, zasilanej zasypowym kotłem węglowym o sprawności 65%,
• 11 tys. zł dla instalacji grzejnikowej o temperaturze zasilania 55°C, zasilanej pompą ciepła powietrze/woda mającą SCOP 3,03.

Są to wysokie koszty, a różnica pomiędzy nimi nie jest duża, co wyraźnie wskazuje, że w domach o niskim standardzie energetycznym, czyli w tzw. wampirach energetycznych, zastosowanie pomp ciepła nie jest rozwiązaniem dobrym pod względem ekonomicznym, gdyż o ile w przypadku kotłów zasypowych można „ręcznie” ograniczyć zużycie paliwa (i koszty ogrzewania), obniżając komfort w budynku lub jego niektórych pomieszczeniach, pompy ciepła nie dają takich możliwości ręcznego „zarządzania” i obniżania kosztów. Technologia ta wymaga pracy zarządzanej automatyką. Ponadto trzeba mieć na uwadze fakt, że kotły mogą dostarczyć duże ilości ciepła w krótkim czasie, a ich moc nie zależy od temperatury zewnętrznej, jak ma to miejsce zwłaszcza w przypadku pomp ciepła powietrze/woda (patrz rys. 2). Czyli pompy ciepła nie nadają się do domów o dużym zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania. W czasie największego zapotrzebowania budynku na energię do ogrzewania, czyli podczas mrozów, wydajność powietrznych pomp ciepła jest najniższa i instalację c.o. wspomagają grzałki elektryczne, jeśli nie dysponujemy układem hybrydowym z kotłem szczytowym i optymalnie dobranym punktem biwalentnym. W budynkach o słabej izolacji termicznej i dużym zapotrzebowaniu na energię w odniesieniu do powierzchni ich eksploatacja może być bardzo droga w porównaniu do „oszczędnej” ręcznej eksploatacji kotłów na paliwa stałe – węglowych i na drewno, polegającej także na znacznym obniżaniu komfortu cieplnego.

Do analizy kosztów ogrzewania dla różnych standardów technicznych budynków można wykorzystać kalkulator POBE dostępny na: https://pobe.pl/kalkulator-pobe-koszty-ogrzewania-w-typowych-budynkach/. Jest on aktualizowany co kwartał i można pobrać arkusz w formacie Excel, w którym istnieje możliwość wprowadzenia własnych danych. Arkusz jest otwarty, dzięki czemu można się dokładnie przyjrzeć, według jakich założeń działa. W sprawdzeniu, czy w danym domu można i warto zamontować pompę ciepła, pomaga także wiedza zawarta w poradnikach tworzonych z ramach akcji PORT PC „Pompuj ciepło z głową” (dostępnych na stronie: https://www.pompujcieplozglowa.pl/).

Kolejnym ważnym aspektem jest wielkość elektrycznej mocy przyłączeniowej budynku i stan instalacji elektrycznej. O ile pompa ciepła nie potrzebuje dużej ilości prądu do pracy sprężarki i pomp obiegowych, wymagać może – o czym wspomniano wyżej – okresowej pracy grzałki elektrycznej o mocy paru kilowatów.

Trzeba pamiętać, że informacja nt. efektywności pompy ciepła jest wartością odnoszącą się do konkretnych warunków pracy i tak podawane są chwilowe współczynniki efektywności COP (Coefficient of Performance) oraz sezonowe współczynniki efektywności SCOP (Seasonal Coefficient of Performance). Na przykład SCOP równy 4,0 oznacza, że w ciągu całego sezonu grzewczego za każdą pobraną 1 kWh energii elektrycznej powietrzna pompa przekaże do układu grzewczego średnio 4 kWh ciepła. Jednak w praktyce wynik taki można uzyskać tylko w dobrze ocieplonych budynkach o niskich stratach energii i z ogrzewaniem płaszczyznowym, które zasilane jest niskimi temperaturami, znacznie niższymi niż tradycyjne grzejniki naścienne. Z danych Instytutu Fraunhofera ISE wynika, że SCOP powietrznych pomp ciepła zamontowanych w budynkach istniejących, w których nie przeprowadzono większych działań termomodernizacyjnych, sięga maksymalnie 2,9. Jest to dobry wynik energetyczny, jednak nie zawsze ekonomiczny przy wysokich cenach energii elektrycznej.

Pompy ciepła pracują efektywnie przy stosunkowo małej różnicy między temperaturą dolnego i górnego źródła ciepła, czyli pomiędzy zmienną temperaturą powietrza a wymaganą temperaturą grzejników w przypadku pomp powietrznych. Im niższa temperatura na zasilaniu instalacji c.o., tym większa efektywność pracy pompy ciepła, czyli wyższy współczynnik COP. Najlepsze efekty energetyczne osiąga się w dobrze izolowanych budynkach z wentylacją mechaniczną z odzyskiem ciepła, w których są bardzo duże powierzchnie grzejne grzejników podłogowych zasilanych bardzo niską temperaturą, o kilka stopni wyższą niż temperatura obliczeniowa, co zapewnia komfort termiczny w domach o wysokim standardzie energetycznym.

Przy obecnych warunkach panujących na rynku paliw i energii rozważania o zastosowaniu pomp ciepła w budynkach istniejących powinny obejmować także analizy inwestycji w instalację PV, a nawet magazyn energii elektrycznej, co umożliwia obniżane kosztów eksploatacyjnych, lecz powoduje wzrost kosztów inwestycyjnych. Instalacje PV zintegrowane z siecią energetyczną i rozliczenia w systemie opustów, który jest „magazynem” energii elektrycznej o rocznej sprawności 80% (lub 70% przy instalacji powyżej 10 kWp), powodowały, że liczyła się przede wszystkim ilość kWh oddanych do sieci, które można było później odzyskać w sezonie grzewczym. Bardzo sprzyjało to instalacjom grzewczym z pompami ciepła w budynkach istniejących, gdyż w praktyce miały one darmowy magazyn energii o sprawności odzysku co najmniej 70%. To spowodowało, że w społeczeństwie pojawiło się mylne przekonanie, iż prosumenci powinni odzyskiwać lub być sowicie wynagradzani za każdą kWh wprowadzoną do sieci. Kolejne zasady rozliczeń za wprowadzaną do systemu energetycznego energię mają za zadanie m.in. skłaniać do jak największej autokonsumpcji i stabilizować system energetyczny. A to powoduje, że planując budowę instalacji PV po to, by dawała znaczący efekt ekonomiczny dla zasilania pomp ciepła w budynku istniejącym w standardzie niższym niż WT 2021, konieczne jest bardzo staranne przeanalizowanie różnych rozwiązań i nieuleganie opiniom opartym na niedostępnych już zasadach rozliczeń z systemem energetycznym. Było to często wykorzystywane przez nieuczciwych „doradców” oferujących pompy ciepła ze wsparciem ze środków publicznych w ramach programu „Czyste Powietrze”, których działalność przysporzyła wielu inwestorom problemów związanych z wysokimi kosztami i tzw. rachunkami grozy.

Wiarygodne informacje nt. zasadności zastosowania pompy ciepła w danym budynku daje audyt energetyczny, a nie ustne zapewnienia handlowca chcącego sprzedać urządzenie. Audyt informuje o stanie energetycznym i technicznym budynku oraz wskazuje, jakie działania mogą poprawić jego efektywność energetyczną, jaki będzie koszt tych działań oraz czas zwrotu dla różnych nakładów – takich jak np. wymiana stolarki, docieplenie stropu czy izolacja termiczna ścian zewnętrznych lub wymiana instalacji i grzejników. Dostarczy również dokładnych danych umożliwiających podjęcie decyzji, czy pompa ciepła będzie dobrym wyborem i jakie urządzenie będzie optymalne dla danego budynku (w tym jego rodzaj i moc).

Literatura

1. Pompy ciepła w istniejących budynkach – seria w 12 odcinkach, https://portpc.pl/pompy-ciepla-w-istniejacychbudynkach/

2. Kalkulator doboru grzejników PURMO, https://www.purmo.com/pl-pl/pobierz-pliki/kalkulator-doboru-grzejnikow

3. Kalkulator doboru grzejników VOGEL&NOOT, https://www.vogelundnoot.com/pl/serwis_and_narzedzia/calculator.htm

4. Kalkulator doboru grzejników Regulus, https://regulus.com.pl/kalkulator-mocy-grzejnika/

5. Poradniki i materiały techniczne Jaga

6. Poradniki i materiały techniczne Elektromet

7. Układy hydrauliczne z pompami ciepła, Poradnik PORT PC, 2016, https://www.portpc.pl/pdf/5kongres/Poradnik_schematy_hydrauliczne.pdf

8. Materiały techniczne firm: Elektromet, Galmet, Jaga, Purmo