Realizacje instalacji z pompami ciepła

Praktyka wskazuje, że najlepsze wyniki uzyskuje się, gdy decyzja o zastosowaniu pomp ciepła podjęta zostaje już na etapie tworzenia projektu architektonicznego. Modernizacje budynków są także dobrą okazją do wymiany urządzeń grzewczych i zmian w instalacji c.o. Inwestycja w pompy ciepła może być opłacalna również bez wykonywania zasadniczych zmian w instalacji grzewczej, np. w budynkach ogrzewanych olejem opałowym, gazem płynnym lub energią elektryczną.

Newralgicznym etapem procesu projektowania jest dobór wydajności dolnego gruntowego źródła ciepła i wykonanie tej instalacji. To źródło ciepła potrafi spłatać wiele niespodzianek, dlatego każdorazowo wymaga dogłębnej analizy. Przed wyborem rozwiązania warto przeanalizować różne warianty, gdyż inwestycje te nie są tanie, a nawet drobny błąd może skutkować bardzo długim okresem zwrotu poniesionych nakładów. Poniższe inwestycje opisano na podstawie informacji pochodzących od firm, które dostarczały pompy ciepła do instalacji. 

Urządzenia montowane były w różnych obiektach, począwszy od domu jednorodzinnego, poprzez hotel, po bloki mieszkalne i sanatorium. Wykazano, że pomimo odmiennych uwarunkowań poszczególnych instalacji c.o. i c.w.u. mogą być one zasilane pompami ciepła, jeśli spełniony zostanie podstawowy wymóg, jakim jest warunek opłacalności w porównaniu do innych sposobów ogrzewania.

Dom jednorodzinny w Inowrocławiu

W nowym budynku parterowym z poddaszem użytkowym o powierzchni 180 m2 zastosowano niskotemperaturowe ogrzewanie podłogowe o maksymalnej temperaturze zasilania 35°C. Instalacje wykonano na parterze i na poddaszu. Inwestor podjął decyzję o wykorzystaniu pomp ciepła już na etapie projektowania domu. Dzięki temu możliwe było optymalne zaprojektowanie instalacji ogrzewania i dobór pomp. Pozwoliło to także zagospodarować elementy dolnego źródła pompy ciepła wokół budynku, co umożliwiło bezkolizyjne wykonanie ogrodu i podjazdów. 

W budynku zastosowano dwa urządzenia – pompę z gruntowym źródłem ciepła do zasilania instalacji grzewczej oraz pompę powietrze/woda do przygotowania ciepłej wody użytkowej (fot. 1). Całkowity koszt instalacji z urządzeniami i montażem wyniósł 51 tys. zł netto (w tym koszt odwiertów ok. 18 tys. zł).

Pompa grzewcza typu solanka/woda Dimplex SI 11TE o mocy 11,8 kW i COP 4,4 dla parametrów B0/W35 jako dolne źródło ciepła wykorzystuje dwa odwierty pionowe o głębokości ok. 110 m, z przewodami z rur PE 40 mm i roztworem glikolu polipropylenowego. Odwierty wykonano w ogrodzie, obok garażu. Rozdzielacz dolnego źródła został zainstalowany w pomieszczeniu technicznym, w którym ulokowano pompy ciepła. Dzięki optymalnemu doborowi dolnego i górnego źródła ciepła uzyskano wysoki współczynnik COP. Ponadto nie było konieczności montażu dodatkowego szczytowego źródła ciepła w formie grzałek, kominka, kotła olejowego czy gazowego.

Ze względu na fakt, że pompa pracuje bez wspomagania drugim źródłem ciepła, koszty inwestycji i samej instalacji c.o. zostały zmniejszone, gdyż nie trzeba było projektować i wykonywać kominów czy przyłącza gazu. W zakresie dostawy pompy znalazła się kompletna automatyka i możliwość zdalnego sterowania przez sieć Ethernet. Do przygotowania ciepłej wody użytkowej zastosowano pompę typu powietrze/woda Dimplex BWP 30HLW o mocy 1,9 kW z dodatkową grzałką o mocy 1,5 kW i COP 3,5. 

Osobną pompę do c.w.u. zastosowano m.in. ze względu na to, że budynek wyposażony jest w mechaniczną wentylację pomieszczeń i pompa ta umożliwia schładzanie powietrza wewnętrznego latem. Ponadto brak obciążenia dolnego źródła przygotowaniem c.w.u. daje gwarancję jego skutecznej regeneracji w okresie letnim i tym samym umożliwia uzyskanie wysokich sprawności COP w sezonie grzewczym, co pozwala osiągnąć zakładany SPF. 

Na decyzję o drugiej pompie miał wpływ także bardzo niski koszt przygotowania c.w.u. dla trzech osób, wynoszący ok. 40 zł miesięcznie, oraz niezależne i praktycznie niewyczerpane źródło energii dla przygotowania ciepłej wody. Instalację wyposażono w zasobnik o pojemności 300 litrów z dodatkową wężownicą.

Pompa została zainstalowana w pomieszczeniu technicznym, a nie na zewnątrz budynku, i czerpie powietrze z tego pomieszczenia oraz ze znajdującego się obok garażu. Powietrze do budynku napływa przez nawiewniki i praca pompy wytwarza w tych pomieszczeniach niewielkie podciśnienie. To rozwiązanie praktycznie wyeliminowało potrzebę stosowania dodatkowej grzałki, gdyż pompa pracuje z powietrzem wewnętrznym, które przez cały rok ma temperaturę wyższą niż minimalna graniczna temperatura pracy (8°C). 

Niskie zapotrzebowanie na energię do podgrzewania c.w.u. nie powoduje na tyle dużego napływu chłodnego powietrza do garażu i pomieszczenia technicznego, aby wpływało to na spełniane przez nie funkcje, nawet w mroźne dni.

Instalacja pracuje już 2,5 roku i na podstawie dotychczasowych danych można stwierdzić, że zakładane w projekcie parametry zostały osiągnięte. COP przez cały sezon grzewczy wynosi ponad 4,0, co świadczy, że poprawnie dobrano i wykonano instalację dolnego oraz górnego źródła. Potwierdziła się też w praktyce trafność decyzji o nieinstalowaniu szczytowego źródła ciepła. 

Z zebranych danych wynika, że roczny czas pracy pompy ciepła zasilającej ogrzewanie to ok. 1800 h. W trakcie eksploatacji inwestor otrzymał zgodę zakładu energetycznego na instalację licznika dwutaryfowego, co pozwoliło obniżyć koszty energii elektrycznej. Obecnie roczne zużycie energii elektrycznej na potrzeby ogrzewania wynosi 1800 h × 2,66 kW = 4788 kWh.

Przy pracy pompy ciepła przez 40% czasu w taryfie dziennej i 60% w nocnej oraz poborze mocy w wysokości 2,66 kW dla B0/W35 całkowite koszty ogrzewania w pakiecie „Ciepły dom” (w strefie nocnej 0,1942 zł/kWh i dziennej 0,4176 zł/kWh wraz z opłatami stałymi i zmiennymi za usługi dystrybucji) wynoszą 2144 zł brutto (wg taryf na www.enea.pl). Koszt eksploatacji pompy zasilającej instalację c.w.u. to ok. 40 zł miesięcznie – dzięki zasobnikowi możliwa jest praca w tańszej taryfie. Kosztów awarii, serwisu oraz przeglądów do tej pory nie ponoszono. Zatem całkowity koszt ogrzewania i przygotowania c.w.u. w tym budynku wynosi ok. 218 zł miesięcznie.

Hotel w Kruszwicy

Podczas modernizacji hotelu (fot. 2) zainstalowano pompę ciepła typu powietrze/woda na potrzeby ogrzewania oraz przygotowania c.w.u. Decyzja o wyborze pompy ciepła podyktowana była wysokimi kosztami zasilania tych instalacji przez kocioł olejowy. Kocioł wykorzystano jako źródło szczytowe pracujące w razie konieczności, tj. przy temperaturach zewnętrznych poniżej –10°C. Pompa ciepła zasila instalacje centralnego ogrzewania – podłogową na parterze oraz grzejnikową na pierwszym piętrze. Ciepła woda jest przygotowywana w zasobniku o pojemności 500 l. 

W kotłowni wykorzystano istniejące instalacje c.o. i c.w.u., jedynym nowym elementem systemu była pompa ciepła wraz z pompą obiegową. Koszt modernizacji kotłowni wyniósł ok. 100 000 zł netto. Zainstalowano pompę ciepła Dimplex LA 60TU typu powietrze/woda o mocy grzewczej 50 kW i COP 3,7 dla parametrów A2/W35 i mocy 60 kW oraz COP 4,1 dla parametrów A7/W35. Pompa pracuje w zakresie temperatur od –20 do 35°C, a jej maksymalna temperatura zasilania wynosi 65°C.

Dane z eksploatacji tego obiektu wskazują, że oszczędności w wydatkach na energię do zasilania instalacji c.o. i c.w.u. są duże i użytkownicy ponoszą obecnie ok. 40% kosztów ogrzewania kotłem olejowym. Praca kotła olejowego jest sporadyczna, gdyż sama pompa ciepła dostarcza wymaganą ilość energii, jeśli temperatura zewnętrzna nie przekracza ok. –10°C. W pompie nie zastosowano grzałek elektrycznych z uwagi na zainstalowany kocioł olejowy i tym samym utrzymuje się wysoki wskaźnik COP, a gdy on spada, układ przechodzi na zasilanie kotłem.

Biuro w Warszawie

W hurtowni instalacyjnej Mag Instal postanowiono osobiście sprawdzić, czy pompy typu powietrze/woda są w stanie w naszych warunkach klimatycznych skutecznie i tanio zapewnić energię do ogrzewania (fot. 3). Zamontowano w niej pompę ciepła firmy Panasonic o mocy 16 kW, która ogrzewa biura o powierzchni 200 m2. W skład instalacji weszły tradycyjne grzejniki płytowe, dlatego konieczne było zastosowanie najwyższej temperatury zasilania, jaką może osiągnąć pompa, tj. 55°C. Najwyższy wskaźnik COP wybrana pompa osiąga przy temperaturze zasilania instalacji 35–40°C, dlatego najlepszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie w przyszłości w instalacji ogrzewania płaszczyznowego lub grzejników o zwiększonej powierzchni wymiany. 

Energia do zasilania sprężarkowych pomp powietrza nie jest tania, ale jej koszty można zredukować, stosując rozliczenia dwutaryfowe. W ciągu dwóch zimowych miesięcy średni wskaźnik COP dla pompy ciepła wyniósł 2,4. Pompa zużyła w tym okresie 4811 kWh energii elektrycznej, a wyprodukowała 11 577 kWh energii cieplnej. Jedynie przy dużych spadkach temperatury instalację c.o. zasilał kondensacyjny kocioł olejowy. Po podsumowaniu danych eksploatacyjnych stwierdzono, że poniesione koszty ogrzewania pompą ciepła i szczytowego wykorzystania kondensacyjnego kotła olejowego były porównywalne do kosztów pracy instalacji c.o. z gazowym kotłem kondensacyjnym zasilanym gazem sieciowym. Natomiast w porównaniu do kotła na olej opałowy koszt ogrzewania był niemal dwukrotnie niższy. 

Modernizowany blok mieszkalny w Zgierzu

Mieszkańcy budynku przy ul. Kolejowej w Zgierzu korzystali uprzednio z grzejnikowej wodnej instalacji c.o. zasilanej kotłami elektrycznymi i gazowych przepływowych podgrzewaczy wody. Jednak wysokie koszty ogrzewania, konieczność serwisowania i wymiany starych podgrzewaczy oraz nieszczelne kanały dymowe grożące zatruciami skłoniły wspólnotę mieszkaniową do modernizacji budynku. Skorzystanie z gazu sieciowego było utrudnione z uwagi na konieczność usytuowania kotłowni poza budynkiem, a wspólnota nie dysponowała terenem, na którym można by umieścić obiekt tego typu. Zdecydowano zatem o inwestycji w pompy ciepła.

Budynek z lat 70. o powierzchni użytkowej 1110 m2, wraz z klatką schodową 300 m2 i piwnicą 270 m2 zbudowany został w systemie tradycyjnym i ocieplony. Składa się z czterech kondygnacji i podpiwniczenia oraz 30 mieszkań, które zamieszkuje 80 osób. Firma, której powierzono inwestycję, początkowo zamierzała zastosować gruntowe pompy ciepła, jednak z uwagi na wspomniany brak gruntu, a tym samym niemożność wykonania odwiertów, zaprojektowano instalacje c.o. i c.w.u. zasilane pompami powietrze/woda, które zainstalowano na dachu. 

Szczytowe zapotrzebowanie na ciepło wynosi w tym wypadku 90 kW, dlatego zastosowano sześć pomp (Danfoss DHP-A 12). Całkowity koszt inwestycji wyniósł 330 tys. zł, w kwocie tej znalazły się prace projektowe, zakup pomp ciepła oraz wykonanie nowej instalacji c.w.u. wraz z cyrkulacją. Ciepła woda użytkowa przygotowywana jest w umieszczonych w pompach zasobnikach ze stali nierdzewnej.

Roczne koszty eksploatacyjne instalacji c.o. i c.w.u. są o ok. 40 tys. niższe niż pracy instalacji zasilanych kotłami elektrycznymi i gazowymi przepływowymi podgrzewaczami wody. Przy takim poziomie oszczędności zwrot kosztów inwestycji nastąpi po 8 latach. Wykonanie projektu i montaż pomp ciepła zostały w całości sfinansowane z preferencyjnego kredytu i uzyskały dofinansowanie ze środków WFOŚiGW.

Warto przypomnieć historię opisywanego budynku i wyjaśnić, dlaczego był ogrzewany kotłami elektrycznymi. Stoi on na osiedlu pięciu bloków dawniej należących do ZPB „Boruta”, jednak fabryka pozbyła się tych budynków, a mieszkańcy je wykupili. W wyniku sporów sąd ustanowił zarządcę komisarycznego osiedla, a w każdym budynku powstała wspólnota mieszkaniowa. Instalacje c.o. w blokach zasilane były z lokalnej kotłowni. Opisywany budynek został w okresie zarządu komisarycznego ocieplony, co przyniosło spadek zużycia energii o ok. 30%.

Po wielu sporach wspólnocie udało się uzyskać 20-proc. upust w sezonie grzewczym 2007/2008, jednak w następnym sezonie pozostałe wspólnoty nie zgodziły się na upusty i wymagały, by lokatorzy ocieplonego domu finansowali termomodernizację pozostałych czterech budynków. Wspólnota opisywanego budynku nie zgodziła się i w grudniu zostało jej odcięte ogrzewanie. Tym samym nie pozostało jej nic innego jak natychmiast skorzystać z kotłów elektrycznych do zasilania instalacji c.o.

Nowe bloki mieszkalne w Poznaniu

W Poznaniu na osiedlu Podolany budowany jest kompleks sześciu budynków (fot. 4) z 284 mieszkaniami, który wyróżnia system grzewczy zasilany pompami ciepła. Mieszkania zostaną wyposażone w niskotemperaturowe ogrzewanie płaszczyznowe, które w sezonie grzewczym będzie ogrzewać, a latem chłodzić mieszkania. Zapotrzebowanie cieplne tych budynków wyniesie 3,4 MW. Projekt przewiduje budowę czterech węzłów po 12 pomp ciepła WPF 66 firmy Stiebel Eltron, czerpiących energię z 280 odwiertów o głębokości 200 m każdy.

W instalacji znajdą się cztery zbiorniki buforowe o łącznej pojemności 6 tys. litrów i cztery zasobniki c.w.u. o łącznej pojemności 4 tys. litrów, zasilane dodatkowo grzałkami elektrycznymi. Wybrane pompy mogą pracować w kaskadach składających się z maksymalnie sześciu sztuk, co daje łączną moc 400 kW. Zastosowany system kaskadowy umożliwia płynne dostosowanie mocy do bieżącego zapotrzebowania na energię, a tym samym optymalizowanie kosztów eksploatacyjnych. Ponadto umożliwia naprzemienną pracę poszczególnych jednostek, zwiększając ich żywotność i niezawodność całego systemu. Inwestycja jest realizowana etapami, a jej całkowite zakończenie zaplanowano na 2013 r.

Klasztor w Krakowie

W 2008 r. dzięki dofinansowaniu ze środków unijnych rozpoczęto prace renowacyjne w klasztorze Kamedułów na krakowskich Bielanach (fot. 5). Głównym celem projektu była modernizacja jednej z części klasztoru – Domu Wolskiego i dawnej Infirmerii (sali chorych). W obiekcie o powierzchni użytkowej 1320 m2 i kubaturze 4262 m3 realizowano jednocześnie prace budowlane, konserwatorskie oraz instalacyjne, które nadzorował konserwator zabytków. 

Zaprojektowano dla tego obiektu węzeł ciepła z pionowym kolektorem gruntowym, instalację c.o. i c.w.u. oraz instalację wentylacji mechanicznej. Energię dostarczają dwie pompy ciepła Gemini Nateo o łącznej mocy 107 kW, czerpiące ciepło z odwiertów o głębokości 62 metrów. W budynku zastosowano ogrzewanie podłogowe i stalowe grzejniki płytowe oraz klimakonwektory. Instalacja została zaprojektowana na parametry czynnika grzewczego 40/32°C. Pracą instalacji c.o. sterują automatyka centralna oraz pokojowa umożliwiające regulację temperatury i pracy wentylatorów w poszczególnych pomieszczeniach. Pozytywne doświadczenia z eksploatacji instalacji zachęciły inwestora do dalszej modernizacji systemów ogrzewania w budynkach kompleksu klasztornego z wykorzystaniem gruntowych pomp ciepła.

Sanatorium w Kamieniu Śląskim

Wysokie koszty eksploatacyjne i względy ekologiczne skłoniły inwestora do modernizacji stosunkowo nowego, ale drogiego systemu ogrzewania. Kompleks sanatoryjny dysponuje 144 miejscami noclegowymi, zapleczem rehabilitacyjnym z hydroterapią, kuchnią, dwiema jadalniami na ok. 270 osób oraz krytym basenem z dwiema nieckami. Hydroterapia pochłaniała od 11 do 20 tys. litrów ciepłej wody dziennie, a cały kompleks zużywał rocznie ok. 150 tys. litrów oleju opałowego. Inwestor rozważał dwie możliwości: zainstalowanie samych kolektorów słonecznych lub kolektorów z pompami ciepła. Wybrał drugi wariant – droższy, ale bardziej efektywny. Instalację zbudowano w 2009 r.

Głównym źródłem energii jest 60 kolektorów o łącznej powierzchni 138 m2 zamontowanych na dachu budynku. Drugim źródłem ciepła jest kaskada pięciu pomp Vitocal firmy Viessmann o łącznej mocy 406 kW czerpiących energię z 48 otworów o głębokości po 125 m, zlokalizowanych w siatce o wymiarach 10×10 mb. Zainstalowano również trzy studzienki zbiorcze z rotametrami, z których każda obsługuje 16 odwiertów. Instalację wyposażono w pięć zasobników buforowych o łącznej pojemności 10 tys. litrów, w tym dwa oddzielne dla układu pomp ciepła i trzy dla układu solarnego. 

Energia z kolektorów słonecznych trafia przez wymiennik do zasobników buforowych i gdy osiągną one odpowiednią temperaturę, przekazywana jest poprzez kolejny wymiennik do zbiorników c.w.u. o pojemności 2×1 tys. litrów. W tym czasie jedna z dwóch wyznaczonych pomp ciepła z kaskady kontroluje temperaturę c.w.u. w zbiornikach. Jeśli kolektory słoneczne nie podgrzeją wystarczająco wody użytkowej, włącza się pompa ciepła. Po osiągnięciu zadanej temperatury c.w.u. pompa wraca do pracy w układzie kaskadowym. W kaskadzie główna pompa ciepła włącza poszczególne pompy nadążne w zależności od zapotrzebowania na energię do załadowania dwóch oddzielnych zbiorników buforowych do zadanej temperatury. Ciepło trafia z nich do poszczególnych obiegów grzewczych: ogrzewania podłogowego i grzejnikowego, wentylacji mechanicznej oraz basenowych systemów grzewczych. W układ wpięto eksploatowany wcześniej kocioł olejowy jako źródło szczytowe. 

Dzięki zastosowaniu instalacji solarnej i pomp ciepła koszty podgrzewania wody grzewczej i użytkowej oraz technologicznej obniżyły się już w pierwszym sezonie grzewczym z 305 286 zł do 184 493 zł, tj. wyniosły ok. 60% poprzednich wydatków. Projekt był wielokrotnie nagradzany, m.in. w konkursie „Terra Sol 2009” i „Ekolaury 2010”.

Literatura

1. Materiały firm: Danfoss, Glen Dimplex, Nateo, Mag Instal, Panasonic, Stiebel Eltron i Viessmann.
2. Glaeser Z., Instalacje pomp ciepła i kolektorów słonecznych w dużych obiektach, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2010.
3. Osiedlowa zimna wojna, „Express Ilustrowany” z 3.12.2008 r.