Pompy ciepła w praktyce

Na Targach Renexpo, podczas Forum Pomp Ciepła, kilkanaście firm przedstawiało realizacje instalacji z pompami ciepła.

Za najciekawszą prezentację jury uznało materiał przygotowany przez Erwina Szczurka z firmy Daikin. Redakcja „Rynku Instalacyjnego” ufundowała dla zwycięzcy nagrodę – publikację na naszych łamach artykułu przygotowanego na podstawie prezentacji.

Na rynek stale wchodzą nowe rozwiązania technologii pomp ciepła, w tym w zakresie dolnego i górnego źródła, sterowania, automatyki i różnych podzespołów. Pociąga to za sobą konieczność zmian naszych aktualnych schematów myślenia i przyzwyczajeń w sferze ogrzewania. Projektowanie i budowa instalacji z pompami ciepła wymagają szczególnej staranności, a inwestorzy oczekują otwartości i rzetelnych, rzeczywistych danych.

Niestety, w praktyce te zasady nie zawsze są przestrzegane, przez co namnożyło się wokół tej technologii sporo wątpliwości i mitów, począwszy od bezkrytycznego zachwytu, na skrajnym sceptycyzmie skończywszy. Być może przedstawione przykłady pomogą spojrzeć na tę technologię obiektywnie. Poniżej omówiono zarówno techniczne możliwości takich instalacji, jak i ekonomikę ich stosowania.

Dom w Kartuzach

Właściciel domu w Kartuzach nie był zadowolony z kosztów ogrzewania kotłem olejowym i w celu ich zoptymalizowania postanowił włączyć do istniejącej instalacji zasilającej grzejniki c.o. niskotemperaturową pompę ciepła. Dom ma całkiem dobrą izolację termiczną – dla powierzchni użytkowej 250 m² obliczeniowe straty ciepła oszacowano na ok. 10,7 kW. Do ich pokrycia kocioł olejowy zużywał ok. 1735 l oleju opałowego, a wspomagający instalację c.o. kominek od 3 do 4 m³ drewna bukowego na sezon.

Modernizacja systemu ogrzewania polegała na dołączeniu do układu c.o. powietrznej pompy ciepła Daikin Altherma split o nominalnej wydajności grzewczej 8 kW z założeniem, że w szczytowych okresach wspomogą ją kocioł lub kominek. Instalacja grzejnikowa pozostała bez zmian. Ponieważ w instalacji c.w.u. zasilanej przez podgrzewacz elektryczny także nie zaszły żadne zmiany, zostanie ona pominięta w tym opisie. Także udział kominka w dostarczaniu energii nie zmienił się po modernizacji – nadal zużywał on 3–4 m³ drewna.

Przed modernizacją łączne koszty paliw dla kotła olejowego i kominka wynosiły 8000 zł na sezon, a symulacja kosztów z udziałem pompy ciepła w instalacji wskazywała na duże możliwości ich obniżenia, nawet o ponad 50%. Po roku od uruchomienia zmodernizowanej instalacji zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła na cele grzewcze wyniosło 5794 kWh, co stanowi koszt 2,7 tys. zł w taryfie G12R, z cenami odpowiednio 0,29 i 0,74 zł/kWh_el.

Ponieważ przez cały sezon grzewczy zarówno grzałka elektryczna pompy ciepła, jak i kocioł olejowy się nie włączyły, koszty w pierwszym sezonie wyniosły blisko 2700 zł za energię elektryczną i 750 zł za drewno do kominka, czyli ok. 3450 zł.

Średnioroczna efektywność pompy ciepła przy temperaturze zasilania instalacji c.o. 50°C wyniosła 2,65, co oznacza, że z 1 kWh energii elektrycznej otrzymano 2,65 kWh ciepła do ogrzewania domu. Dla niskotemperaturowych systemów c.o. te wskaźniki byłyby oczywiście jeszcze wyższe. Osiągnięte oszczędności przerosły sezonowe koszty i to o 1000 zł.

Do budynku w tym czasie dostarczono 24,0 MWh ciepła, z czego 2/3 przypada na pompę ciepła i 1/3 na kominek. Do budynku przekazano 9,6 MWh energii odnawialnej. Koszt modernizacji (urządzeń i montażu) wyniósł ok. 25 tys. zł i przy oszczędnościach rzędu 4,5 tys. zł rocznie zwróci się w całości w ciągu ok. 5,5 roku. Zatem szacunki zostały w pełni potwierdzone w praktyce i inwestycja przynosi wymierne oszczędności.

Duży dom w Pszczynie

Drugi przykład to znacznie większy system – kaskada dwóch niskotemperaturowych pomp ciepła powietrze/woda w domu o powierzchni 600 m² zlokalizowanym koło Pszczyny. Przed modernizacją system był zasilany przez kocioł olejowy, który do pokrycia strat ciepła dochodzących do 40 kW zużywał w sezonie 7200 litrów oleju opałowego. Przy cenach oleju wynoszących 3,11 zł/litr (sezon 2010/2011) koszty ogrzewania kształtowały się na poziomie ok. 22 tys. zł i suma ta skłoniła użytkownika do zainstalowania pomp ciepła. Przy obecnych cenach oleju koszty te przekraczałyby 30 tys. zł.

W budynku zastosowano dwa zestawy pompy ciepła Daikin Altherma Split o nominalnej wydajności grzewczej 16 kW każdy. Zostały one dołączone do istniejącej instalacji, w której zasilają zasobnik buforowy do temperatury 42°C. System pobiera ciepło z bufora do zasilania obwodów grzejników naściennych temperaturą na poziomie 38°C oraz obwodów ogrzewania podłogowego temperaturą 25°C. Jedna z pomp ciepła zasila również układ c.w.u. poprzez zawór trójdrogowy i wężownicę zasobnika c.w.u., ale ta praca odbywa sie tylko w razie potrzeby i wyłącznie w czasie tańszej taryfy na energię elektryczną.

Efekty modernizacji są następujące: całkowite zużycie energii elektrycznej do zasilania pomp ciepła w sezonie wyniosło 25,9 MWh_el, w tym 12 MWh_el w pierwszej taryfie i 13,9 MWh_el w drugiej, w tym 6,0 MWh_el na cele c.w.u., przy cenach dla tych taryf odpowiednio 570 i 310 zł/MWh_el. Całkowity koszt zużytej energii elektrycznej w sezonie wyniósł zatem ok. 11 tys. zł.

Do budynku dostarczono 71,2 MWh ciepła, z czego nieco ponad 45 MWh energii odnawialnej, a to oznacza efektywność przetwarzania energii elektrycznej w cieplną na poziomie 2,75. Koszty ogrzewania przed modernizacją udało się zredukować o połowę, do 11 tys. zł i tyle też wyniosły oszczędności. Przy cenach z sezonu 2010/2011 i koszcie inwestycji (urządzenia i montaż) 65 tys. zł daje to prosty czas zwrotu inwestycji w ok. 5,7 roku.

Jeśli jednak uwzględnimy stosunkowo szybki wzrost cen oleju opałowego w stosunku do cen energii elektrycznej, jaki miał miejsce w ostatnich latach, okres zwrotu inwestycji wyniesie tylko 4 lata i tym samym skumulowane oszczędności wyrównają koszty inwestycji już na wiosnę 2014 r.

Blok w Raciborzu

Dla układów o temperaturze zasilania powyżej 50°C, tj. instalacji z zasilaniem c.w.u., a także c.o. w starszym budownictwie z tradycyjnymi grzejnikami, optymalnym rozwiązaniem są wysokotemperaturowe pompy ciepła powietrze/woda Daikin Altherma HT. Dzięki kaskadzie dwóch obiegów termodynamicznych R410A i R134a w jednej pompie ciepła temperatury zasilania do 80°C osiągane są w całym zakresie pracy bez konieczności użycia grzałek elektrycznych. 

Administracja bloku z 50 mieszkaniami, zasilanego z sieci miejskiej, postanowiła zainstalować dwie pompy ciepła wysokotemperaturowe w celu ograniczenia kosztów przygotowania c.w.u. Moc grzewcza z sieci miejskiej na potrzeby c.o. pozostała bez zmian, natomiast zainstalowane bufory ciepła wyposażone w pompy ciepła i kolektory słoneczne pozwoliły zredukować koszty przygotowania c.w.u. zarówno w części stałej, czyli mocy zamówionej, jak i w ruchomej, związanej bezpośrednio ze zużyciem. 

Roczne zużycie wody użytkowej dla 50 mieszkań w bloku dochodzi do 1400 m³. Żeby ją podgrzać, potrzebne jest ok. 102,5 MWh ciepła rocznie. Obecnie połowę tej wartości zapewniają dwie pompy ciepła o mocy po 16 kW, pracujące wyłącznie w drugiej taryfie i do temperatury zewnętrznej –7°C. Pozostałe 50% pokrywają kolektory słoneczne i sieć miejska. 

W ciągu roku pompy ciepła dostarczyły 51,3 MWh energii cieplnej, pobierając przy tym z sieci elektrycznej 22 MWhel. Przed modernizacją całkowity koszt ciepła z sieci miejskiej dla 51,3 MWh wynosił 20 800 zł. Po zainstalowaniu pomp ciepła moc zamówiona na cele c.w.u. została zredukowana z 82 do 30 kW, a całkowite koszty – doliczając różnicę na składniku zmiennym, czyli koszty energii zużytej – spadły do kwoty 11 800 zł. 

Co istotne, ponad 90% z tych 9000 zł oszczędności związane jest ze składnikiem stałym, czyli redukcją mocy zamówionej. Ten przykład modernizacji zasługuje na szczególną uwagę właśnie z tego powodu, że zastosowanie kolektorów słonecznych (które też korzystają z energii odnawialnej) nie daje możliwości zmniejszenia mocy zamówionej – umożliwia to włączenie do układu pomp ciepła.

Duży dom w Katowicach

Kolejny przykład to system uruchomiony w październiku 2013 r., zatem na rzeczywiste wyniki trzeba poczekać przynajmniej do jesieni przyszłego roku. Niemniej jednak wartości uzyskiwane z symulatora Daikin w poprzednich realizacjach wskazują, że są to wyniki miarodajne, które nie powinny odbiegać od uzyskanych w warunkach rzeczywistych. 

Na podkreślenie zasługuje fakt, że w obiekcie zastosowano urządzenia Daikin Altherma Flex, a kombinacja technologii VRV i kaskady pomp ciepła umożliwia zasilanie układu c.o. temperaturą do 80°C, zasilanie układu c.w.u. oraz chłodzenie, a także odzysk ciepła w trybie chłodzenia latem, wykorzystywanego następnie do podgrzewu c.w.u. 

Układ ten został tak dobrany, że nie wymaga jakiegokolwiek udziału grzałek elektrycznych. Całość wyposażona jest w dwa zbiorniki c.w.u. Pierwszy z nich to zbiornik buforowy o poj. 500 litrów, współpracujący także z czterema kolektorami słonecznymi o łącznej powierzchni 10 m². Drugi to zbiornik standardowy o poj. 260 litrów z wężownicą dostarczającą ciepło podczas pracy układu w trybie odzysku ciepła.

Jest to nowy budynek o powierzchni 457 m², a obliczeniowe zyski oraz straty ciepła wynoszą w tym przypadku odpowiednio 23 kW i 30 kW. Omówienie szczegółów instalacji to temat na odrębny artykuł, dlatego poniżej wymienione zostaną tylko najważniejsze elementy. 

W systemie pracuje 6 sprężarek inwerterowych, 11 wymienników płytowych, 5 kompletnych obiegów termodynamicznych, a wymiennik jednostki zewnętrznej może pracować zarówno jako parownik, jak i skraplacz, i co najciekawsze – w połowie jako parownik, a w połowie jako skraplacz, jeśli wymaga tego bilans zapotrzebowania na ciepło i chłód w obiekcie. 

Ponadto w trybie odzysku ciepła, dzięki równoczesnemu ogrzewaniu, np. na cele c.w.u. i chłodzenia pomieszczeń, wskaźniki efektywności mogą przekroczyć wartość 7,0. Co ważne, odzysk jest możliwy pomiędzy dowolnymi modułami wewnętrznymi, nie tylko tymi, do których podłączony jest zasobnik c.w.u. 

Z symulacji wynika, że roczne zapotrzebowanie energetyczne budynku dla celów ogrzewania wyniesie ok. 58,2 MWh i na to pompa ciepła zużyje ok. 21,6 MWh_el. Do celów chłodzenia potrzeba 10,4 MWh – pompa ciepła pobierze na to 2,5 MWh_el. Łączne koszty wyniosą zatem ok. 13 500 zł rocznie, ale dzięki zastosowaniu odzysku ciepła i kolektorów słonecznych powinno się udać zredukowanie ich o 3500 zł i tym samym uzyskanie końcowego wyniku na poziomie 10 tys. zł. Jak wspomniano, rzeczywiste wyniki będą dostępne za rok. 

Podsumowanie

Powyższe przykłady realizacji nie wyczerpują aktualnych możliwości stosowania nowoczesnych urządzeń. Rynek pomp ciepła bardzo dynamicznie się rozwija i w ofertach producentów stale pojawiają się urządzenia o nowych możliwościach. Przykładowo na początku przyszłego roku na rynek wejdzie hybrydowa pompa ciepła, która w jednym urządzeniu połączy zalety powietrznej pompy ciepła i kondensacyjnego kotła gazowego. 

Urządzenie będzie wytwarzać ciepło na potrzeby c.o. i c.w.u. z tego źródła, które będzie akurat w danym momencie tańsze, oczywiście z uwzględnieniem jednoczesnej pracy obydwu źródeł. Wyniki symulacji zapowiadają się obiecująco, gdyż jest to rozwiązanie tańsze w eksploatacji od dwóch oddzielnych źródeł w jednym układzie i może pracować bez przeszkód w ekstremalnie niskich temperaturach w okresie zimowym.

Erwin Szczurek, Daikin Airconditioning Poland Sp. z o.o.