Pompy ciepła do c.o. i c.w.u. w budynkach wielorodzinnych

Projekt dotyczył zastosowania pomp ciepła w budynkach wielorodzinnych istniejących, modernizowanych oraz nowych, w tym w budynkach o wyższym zapotrzebowaniu na ciepło, czyli o niskiej efektywności energetycznej (nieocieplonych). Wyniki wieloletnich badań można podsumować jednym zdaniem: istnieją dobre przykłady, ale potrzebna jest większa standaryzacja rozwiązań. Zidentyfikowane przez zespół bariery dla zastosowania pomp ciepła w budynkach wielorodzinnych, zarówno nowych, jak i istniejących, mają naturę administracyjną (m.in. kwestie własnościowe) i techniczną. Różnorodność budynków i ich charakterystyka umożliwia zastosowanie różnych rozwiązań technicznych opartych na pompach ciepła, wiąże się jednak także z koniecznością indywidualizacji tych rozwiązań, trudnej do zastosowania na dużą skalę.

Spośród barier technicznych należy wymienić problemy z wymaganą mocą grzewczą i temperaturą zasilania instalacji c.o. Zasoby budynków wielorodzinnych są stare – większość z nich została wybudowana przed 1970 r. Bez przeprowadzonej renowacji obiekty te wymagają wysokich temperatur zasilania instalacji, ponad 60°C. Kolejną barierą jest mała podaż PC o dużej mocy, czyli powyżej 100 kW. Pompy ciepła są konstruowane głównie dla budynków energooszczędnych, a nie tych o dużym zapotrzebowaniu na ciepło. Dodatkowo większość budynków wielorodzinnych znajduje się w miastach, na terenach o dużym zagęszczeniu zabudowy. Ogranicza to dostęp do gruntowego/geotermalnego dolnego źródła ciepła, a w przypadku powietrznych pomp ciepła trudności sprawia umiejscowienie jednostki zewnętrznej na budynku lub w jego sąsiedztwie i ograniczenie emisji hałasu.

Aby ułatwić wybór rozwiązań technicznych, grupa ekspertów opracowała ogólną klasyfikację rozwiązań pomp ciepła dla wielorodzinnych budynków mieszkalnych („macierz rozwiązań”). Zostały one opisane w ustandaryzowany sposób w ramach ośmiu kategorii. W sumie zidentyfikowano 13 rozwiązań – od systemu w pełni scentralizowanego po całkowicie zdecentralizowany – które zostały pogrupowane w pięć „rodzin”. Zespół zebrał także liczne studia przypadków wdrożeń pomp ciepła w budynkach wielorodzinnych. Pokazują one szerokie możliwości zastosowania tych urządzeń w zależności od standardu energetycznego budynku, liczby mieszkań, źródła ciepła i innych cech obiektu. Aby w pełni oddać całościowe podejście do tematu i zilustrować praktykę, każde studium przypadku jest połączone z odpowiadającym mu rozwiązaniem teoretycznym. Informacje o tym projekcie znajdują się na stronie: https://heatpumpingtechnologies.org/annex50/

Macierz rozwiązań

Grupa ekspertów z Annex 50 zaproponowała holistyczne podejście do kategoryzacji, opisu i wizualizacji możliwych zastosowań pomp ciepła w budynkach wielorodzinnych – nazwano ją macierzą rozwiązań. Uwzględnienie wszystkich kryteriów różnicowania prowadziłoby do wielowymiarowej macierzy, która byłaby zbyt rozbudowana i nieprzejrzysta, dokonano więc podziału na pięć rodzin rozwiązań, które różnią się kryterium głównym oraz stopniem szczegółowości uwzględnienia jednego lub kilku aspektów. Te pięć rodzin rozwiązań reprezentuje ogólne rodzaje rozwiązań pomp ciepła w budynkach wielorodzinnych – patrz rys. 1.

Każda z tych rodzin ma kilku członków, czyli różne warianty w ramach rozwiązania głównego. Rys. 2 przedstawia przegląd wszystkich typów koncepcji instalacji z pompami ciepła w budynkach wielorodzinnych przypisanych do pięciu rodzin. Poniżej zamieszczono skrócone opisy tych rozwiązań.

Pierwsza rodzina rozwiązań

1.1. Scentralizowany system z jedną pompą ciepła dla całego budynku

Rozwiązanie to obejmuje jeden centralny system z pompą ciepła dla całego budynku, zarówno do ogrzewania pomieszczeń, jak i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Dystrybucja ciepła odbywa się w całym budynku, co zwiększa straty ciepła. Pompa ciepła musi zapewnić dwa poziomy temperatur dla układu c.o. i c.w.u. lub zawsze spełniać wysokie wymagania dotyczące temperatury c.w.u. Jest to typowe rozwiązanie dla dużych budynków wielorodzinnych, które może znaleźć zastosowanie również w budynkach z niewielką liczbą mieszkań. W dużych budynkach może być potrzebna kaskada PC. W rozwiązaniu z centralnym przygotowaniem c.w.u. straty ciepła stanowią znaczną część zużycia energii i wymaga ono dużych zasobników c.w.u. oraz rozwiązania zapobiegającego Legionelli. Instalacja taka zalecana jest do budynków o wyższym standardzie energetycznym (nowych), ale może być stosowana także w budynkach o średnim standardzie. W przypadku budynków słabo ocieplonych nie jest to wykluczone, ale trudne do wdrożenia. Przy modernizacji budynku można zachować starą instalację c.o., co może jednak wymagać częściowej lub całkowitej wymiany grzejników w każdym mieszkaniu. W przypadku nowych budynków konieczne jest prowadzenie długich rurociągów przez cały obiekt. Możliwe są wszystkie dolne źródła ciepła dla pompy ciepła, jednak w dużych budynkach i o dużym zapotrzebowaniu może wystąpić problem z zastosowaniem pomp powietrznych. Zaleca się montaż powietrznych PC na dachach z uwagi na emisję hałasu. W budynkach starych można wymienić stary kocioł na nowy i pozostawić go jako źródło szczytowe.

Zaletą tego rozwiązania jest zachowanie istniejącej instalacji, a minusem – wysokie straty ciepła podczas jego dystrybucji.

1.2. Scentralizowany system z dwiema pompami ciepła dla całego budynku

To rozwiązanie pozwala zoptymalizować obie pompy ciepła do potrzeb, zwłaszcza ich wydajność i rodzaj czynnika chłodniczego. Jest odpowiednie dla budynku o każdej wielkości, ale preferowane w tych większych. Wymagane jest zastosowanie zasobników c.w.u., a pompa ciepła dla tej instalacji musi być wysokotemperaturowa. Centralna dystrybucja c.w.u. powoduje duże straty energii i wymaga zabezpieczenia przed Legionellą. Rozwiązanie można zastosować w budynkach o wysokim, a także niskim poziomie izolacyjności termicznej. W nowych budynkach pozwala na optymalizację pomp ciepła zgodnie z ich zadaniami. W budynkach modernizowanych można zachować stary system dystrybucji ciepła, ale może to wymagać częściowej lub całkowitej wymiany grzejników w każdym mieszkaniu. W nowych budynkach konieczne jest poprowadzenie długich rurociągów. Pompy ciepła mogą być powietrzne i/lub gruntowe (inne na potrzeby c.o. oraz c.w.u.). W przypadku dużych budynków ograniczeniem dla powietrznych PC może być duże zapotrzebowanie na energię – zaleca się montaż tych urządzeń na dachu. Kotły mogą pozostać, można je też wymienić na nowsze bez zmiany systemu dystrybucji.

Zaletą tego rozwiązania jest możliwość zastosowania w dużych budynkach wielorodzinnych oraz wybór różnych PC dla funkcji c.o. i c.w.u., co daje większe możliwości w doborze ich wydajności. Natomiast minusem są wysokie straty w dystrybucji ciepła.

1.3. Scentralizowany system z pompą ciepła tylko dla c.o. oraz innym urządzeniem dla c.w.u.

W rozwiązaniu tym kocioł na gaz, biomasę lub elektryczny pracuje dla układu c.w.u., a pompa ciepła tylko dla c.o. Umożliwia to optymalizację pompy ciepła realizującej wyłącznie ogrzewanie pomieszczeń, gdyż do c.o. wystarczy niższa temperatura niż dla c.w.u. Jest to rozwiązanie dla wszystkich wielkości budynków wielorodzinnych, zwłaszcza dużych (w małych układy biwalentne są rzadziej konieczne). Kocioł ułatwia zapobieganie Legionelli, gdyż daje wysokie temperatury zasilania zasobnika c.w.u. To rozwiązanie odpowiednie dla starszych, nieremontowanych budynków o wyższym zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania; nie jest zalecane w nowych budynkach.

Modernizacja budynku jest w tym wypadku mniej wymagająca i w przyszłości umożliwia rezygnację z kotła (etapowanie modernizacji). Minusem są wysokie straty dystrybucji ciepła oraz częściowe wykorzystanie paliw kopalnych.

1.5. Scentralizowana hybrydowa pompa ciepła dla całego budynku

Systemy hybrydowe mają różne możliwości rozdzielenia zasilania c.o. i przygotowania c.w.u. Pompa ciepła zapewnia ogrzewanie pomieszczeń wiosną i jesienią, a w okresie niskich temperatur zewnętrznych wspomagana jest przez kocioł. Im budynek ma lepszą izolację termiczną, tym większy jest udział pompy ciepła w pokryciu zapotrzebowania na ogrzewanie pomieszczeń. Jest to koncepcja bardziej odpowiednia dla starszych, nieremontowanych budynków o wyższym zapotrzebowaniu na energię grzewczą, niezalecana w nowych budynkach. To rozwiązanie odpowiednie dla wszystkich wielkości budynków, szczególnie większych i gdy nie ma możliwości zainstalowania pompy ciepła o dużej mocy. Ma jednak ograniczone zastosowanie, gdy wymagana jest wysoka temperatura zasilania. Możliwe jest także zastosowanie mniejszej pompy ciepła jako dodatkowego źródła dla istniejącego kotła. W rozwiązaniu tym c.w.u. może być wstępnie podgrzana przez pompę ciepła, a następnie dogrzana przez kocioł, co rozwiązuje problemy z Legionellą. Istniejący system z kotłem i dodatkowa pompa ciepła muszą zostać połączone i sterowane razem. Ponadto pomieszczenie techniczne musi być na tyle duże, aby można było zainstalować PC i zasobnik c.w.u. w pobliżu istniejącego kotła. Hybrydowe pompy ciepła wykorzystują jako dolne źródło powietrze zewnętrzne, ale mogą być też gruntowe.

Zalety tego rozwiązania to duża elastyczność pod kątem stopnia izolacji budynku oraz łatwe zapobieganie Legionelli. Minusami są wysokie straty energii w dystrybucji oraz częściowe wykorzystanie paliw kopalnych.

Druga rodzina rozwiązań

2.1. Połączenie dwóch rozwiązań – centralnego dla c.o. i zdecentralizowanego dla c.w.u.

Centralny system z pompą ciepła zasila instalację wymagającą niższej temperatury, czyli c.o., i jest dolnym źródłem dla zdecentralizowanych PC o małej mocy zamontowanych w każdym mieszkaniu, zasilających instalację c.w.u. Centralną pompę ciepła można przy doborze zoptymalizować pod kątem różnych poziomów wymaganych temperatur.

To rozwiązanie odpowiednie dla wszystkich wielkości budynków, ale preferowane w średnich i większych oraz o wysokim standardzie energetycznym. Straty w dystrybucji ciepła dla c.w.u. są znacznie mniejsze niż w przypadku rozwiązania centralnego. Można zastosować małe, mieszkaniowe zasobniki c.w.u. i łatwiej rozwiązać problem Legionelli. Centralna pompa ciepła może być powietrzna (także z parownikiem wyniesionym na dach) lub gruntowa, a w przypadku mieszkaniowych dolnym źródłem ciepła może być także wywiewane powietrze wentylacyjne.

Główną zaletą jest tu indywidualne przygotowanie c.w.u. i tym samym mniejsze straty na dystrybucji, a minusem – wyższe koszty inwestycyjne.

2.2. Pompa ciepła dla c.o. i elektryczne podgrzewacze c.w.u.

Rozwiązanie umożliwiające optymalizowanie doboru PC tylko na potrzeby c.o. Ponadto gdy w budynku są instalacje ogrzewania podłogowego, wymagana temperatura zasilania jest znacznie niższa niż temperatura dla układu c.w.u. Można je stosować we wszystkich wielkościach budynków, ale preferowane są średnie i duże. Elektryczne pogrzewacze c.w.u. w każdym mieszkaniu pozwalają unikać strat ciepła w instalacjach c.w.u., które w dużych i średnich obiektach są długie. Nie są ponadto wymagane zasobniki c.w.u. Choć wytwarzanie ciepła na potrzeby c.w.u. za pomocą pomp ciepła jest bardziej efektywne energetycznie niż jej podgrzewanie grzałką elektryczną, w niektórych przypadkach (zwłaszcza w dużych budynkach) oba rozwiązania mogą być podobnie efektywne energetycznie. Koncepcja ta może zostać zastosowana w budynkach o różnym poziomie energoefektywności.

Zalety tego rozwiązania to: łatwy i tani montaż podgrzewaczy c.w.u., łatwe uniknięcie zagrożenia Legionellą oraz szerokie możliwości optymalizacji przy wyborze pompy ciepła dla c.o. Minusem jest wysokie zapotrzebowanie na energię elektryczną dla układu c.w.u.

Trzecia rodzina rozwiązań

3.1. Pompa ciepła dla określonej liczby mieszkań w budynku

Grupę mieszkań i ich instalacje c.o. oraz c.w.u. na jednym poziomie lub w jednej klatce schodowej zasila jedna pompa ciepła. To rozwiązanie optymalne dla budynków średnich i małych. W budynkach z większą liczbą mieszkań może być konieczne zastosowanie więcej niż jednej pompy ciepła (kaskady PC) do uzyskania wymaganej wydajności grzewczej. Konieczne są zasobniki c.w.u. i tym samym zapobieganie Legionelli.

Rozwiązanie można zastosować w budynkach o niskim i wysokim poziomie izolacji termicznej. Może być wykorzystywane w budynkach poddawanych renowacji i jest typowym układem w kilku krajach. Umożliwia bowiem stosunkowo niedużą złożoność prowadzenia instalacji c.o. i c.w.u. w odniesieniu do całego budynku – prowadzi się je na danym poziomie lub w pionie. Jednak z drugiej strony wymaga kilku obwodów dystrybucyjnych oraz wygospodarowania miejsc na pompę ciepła w wydzielonych częściach budynku i możliwości podłączenia do niej instalacji c.o. i c.w.u. Ograniczenia w stosowaniu PC dotyczą pomp gruntowych na innych kondygnacjach niż parter, a także powietrznych z uwagi na wymagane duże moce i kwestie emisji hałasu.

Zaletą tego rozwiązania jest możliwość zastosowania mniejszych pomp ciepła niż w systemie centralnym, a także mniejsze straty na przesyle ciepła. Minusy to wiele źródeł hałasu i konieczność wygospodarowania licznych pomieszczeń technicznych.

3.2. Oddzielna pompa ciepła dla c.o. i c.w.u. obsługująca kilka mieszkań

W tym rozwiązaniu jedna pompa ciepła pracuje dla c.o., a inna dla c.w.u. w wielu mieszkaniach zgrupowanych na danym poziomie (lub poziomach) albo w ramach klatki schodowej.

Pompy ciepła dostarczają ciepło dla c.o. albo c.w.u. grupie mieszkań w budynku i mają różne poziomy temperatur zasilania. To rozwiązanie preferowane w średnich, a zwłaszcza dużych budynkach – w mniejszych zwykle nie ma potrzeby grupowania mieszkań według zasilania dla c.o. i c.w.u. Nie jest zalecane w nowych budynkach, lecz w tych o niskim standardzie energetycznym, poddawanych renowacji i tam, gdzie prowadzona jest tylko częściowa modernizacja. Może wymagać dodatkowych źródeł oprócz pompy ciepła w celu pełnego pokrycia zapotrzebowania budynku na ciepło. W tym układzie można stosować gruntowe lub powietrzne PC, ale specyfika niektórych budynków może ograniczać wykorzystanie danej technologii – np. pomp gruntowych, jeśli pompa ciepła nie znajduje się na parterze. Ograniczenia dla pomp powietrznych mogą wynikać z emisji hałasu lub wymaganej wydajności. Można wykorzystać wywiewane powietrze wentylacyjne do zwiększenia efektywności PC zasilających układy c.w.u.

Zaletą tego rozwiązania jest możliwość częściowej modernizacji budynku i optymalizacji wydajności pompy ciepła wg funkcji.

3.3. Pompa ciepła i kocioł dla określonej grupy mieszkań w budynku

Źródła ciepła dla poszczególnych grup mieszkań są różne – mieszkania są pogrupowane według źródeł ciepła najczęściej w ramach poziomów lub klatek schodowych. Rozprowadzanie instalacji c.o. i c.w.u. odbywa się na danym poziomie lub pionie budynku. W grupach z pompami ciepła każda z nich dostarcza ciepło dla c.o. i c.w.u., a instalacje c.w.u. wymagają zastosowania zasobników. To rozwiązanie bardziej odpowiednie dla budynków średnich i dużych, gdyż w małych zwykle nie ma potrzeby grupowania mieszkań według źródła ciepła. Preferowane w przypadku renowacji budynków o niskim standardzie energetycznym, nie jest zalecane w budynkach nowych. Wymaga przestrzeni (pomieszczeń technicznych) dla każdej pompy ciepła oraz podłączenia do nich instalacji c.o. i c.w.u. Umożliwia zmniejszenie liczby koniecznych prac budowlanych podczas renowacji i ich ograniczenie lub etapowanie do grupy mieszkań, a nie całego dużego budynku. Zastosowanie znajdują tu powietrzne i gruntowe pompy ciepła. W przypadku gruntowych PC potencjalną trudnością jest podłączenie kolektorów gruntowych, jeśli pompa nie znajduje się na parterze, a powietrznych – ograniczenia dotyczące emisji hałasu lub wymagane duże wydajności.

Zaletą w przypadku dużych budynków jest możliwość etapowania lub częściowej renowacji, a minusem ewentualne utrudnienia w prowadzeniu instalacji oraz hałas z powietrznych jednostek zewnętrznych.

Czwarta rodzina rozwiązań

4.1. Rozwiązanie indywidualne dla każdego mieszkania z zastosowaniem pomp ciepła i innych źródeł

Koncepcja ta zakłada, że każde mieszkanie może mieć indywidualne rozwiązanie dla c.o. i c.w.u. Instalacje są prowadzone odrębnie dla każdego mieszkania i dobierane tylko do jego potrzeb, tak samo jak temperatury zasilania. To rozwiązanie bardzo elastyczne, ale niezalecane w budynkach o dużej liczbie mieszkań. Atutem może być wyodrębniona własność każdego mieszkania, a przeszkodą brak porozumienia pomiędzy właścicielami. Preferowane w budynkach poddawanych renowacji, a niezalecane w nowych, gdzie wskazane są kompleksowe rozwiązania. Działania renowacyjne w zakresie instalacji c.o. i c.w.u. można ograniczyć do pojedynczych mieszkań – nie ma potrzeby wykonywania prac jednocześnie dla całego budynku, ale w każdym mieszkaniu trzeba wygospodarować miejsce na źródło ciepła. Koncepcja wykorzystuje pompy ciepła typu powietrze/woda i powietrze/powietrze o małej mocy, które mogą korzystać także z wywiewanego powietrza wentylacyjnego. Przygotowanie c.w.u. odbywa się oddzielnie dla każdego mieszkania i nie wymaga dużych zasobników, może być też realizowane przez elektryczne podgrzewacze wody.

Zalety: elastyczność i możliwość zastosowania różnych rozwiązań oraz brak strat w dystrybucji ciepła; minusy: zagrożenie hałasem z wielu jednostek zewnętrznych i konieczne miejsce na urządzenia w każdym mieszkaniu.

4.2. Pompa ciepła dla indywidualnego mieszkania tylko w jednym trybie pracy

Zdecentralizowane pompy ciepła dla jednego mieszkania i działające w jednym trybie – c.o. albo c.w.u. – to koncepcja, która daje możliwość optymalizacji doboru PC do każdego mieszkania. Dystrybucja ciepła jest realizowana tylko w obrębie jednego mieszkania, odcinki instalacji są krótkie, a straty ciepła małe. Wielkość budynku nie ma dla tego rozwiązania szczególnego znaczenia. Atutem może być wyodrębniona własność mieszkań, a przeszkodą brak porozumienia z sąsiadami. Pompy ciepła dla c.w.u. są montowane tylko w wybranych mieszkaniach, w innych należy zastosować dodatkowe rozwiązanie. Wielkość zasobników c.w.u. może być zmniejszona, a temperatura c.w.u. dostosowana do indywidualnych potrzeb mieszkańców. To koncepcja do zastosowania w przypadku renowacji – w nowych budynkach wskazane są rozwiązania systemowe. Umożliwia renowację instalacji c.o. lub c.w.u. tylko w pojedynczych mieszkaniach (brak konieczności prac jednocześnie dla całego budynku). Nie jest potrzebny system dystrybucji ciepła w całym budynku, wymagane jest jednak miejsce w każdym mieszkaniu na zainstalowanie PC. Przewagę mają tu powietrzne pompy ciepła, które mogą korzystać także z wywiewanego powietrza wentylacyjnego. Koncepcja wymaga jednak innych źródeł ciepła dla pokrycia pełnego zapotrzebowania innych mieszkań.

Zalety tego rozwiązania to elastyczność i częściowy brak strat w dystrybucji oraz dobór optymalny do potrzeb. Minusy to konieczność dystrybucji ciepła z innego źródła energii, hałas z jednostek zewnętrznych i konieczność udostępnienia miejsca na PC w mieszkaniach.

Piąta rodzina rozwiązań

5.1. Pompa ciepła dla pojedynczego pomieszczenia w mieszkaniu

Ta koncepcja zakłada zastosowanie pompy ciepła typu powietrze/powietrze do ogrzewania w sezonie grzewczym lub chłodzenia latem tylko jednego pomieszczenia w mieszkaniu. Nie jest zalecana w dużych budynkach i może być ograniczona przez wymagania architektoniczne oraz dotyczące emisji hałasu. W nowych budynkach możliwa jest integracja z elewacją. Wymagany jest oddzielny system dla c.w.u., a wydajność grzewcza jest ograniczona ze względu na możliwość zastosowania stosunkowo małych pomp ciepła. 

Opracowano na podstawie:

Final Report Annex 50: Heat Pumps in Multi-Family Buildings for Space Heating and Domestic Hot Water, https://heatpumpingtechnologies.org/publications/final-report-annex-50-heat-pumps-in-multi-family-buildings-for-space-heating-and-dhw/ (dostęp: 5.05.2023)