Wykorzystanie ciepła odpadowego z rekuperatora do wspomagania pracy pompy ciepła w warunkach miejskich

Najczęstsze odpowiedzi na zadane powyżej pytanie brzmią: „to trudne technicznie” i „nieopłacalne”. Jednak opłacalność inwestycji zależy od wielu czynników, z których najważniejsze to koszt inwestycyjny i eksploatacyjny. Autor, projektując na co dzień nietypowe rozwiązania zasilania budynków energią ze źródeł odnawialnych z wykorzystaniem rozbudowanych systemów automatyki domowej, podjął się zaprojektowania opłacalnej instalacji z powietrzną pompą ciepła.

Do określenia opłacalności można przyjąć różne kryteria – może to być wymiar czysto finansowy albo środowiskowy. W przypadku inwestora, któremu zależy na aktywnym uczestnictwie w zrównoważonym rozwoju, ten drugi aspekt może być ważniejszy. Ważne są też dostępne dla danego obiektu źródła ciepła.

W warunkach miejskich sieć ciepłownicza ma swoje atuty. Jednak jeśli możliwości uzyskiwania ciepła ograniczają się tylko do spalania węgla lub wykorzystania energii elektrycznej, warto przeprowadzić wielokryterialną analizę zastosowania pomp ciepła.

W artykule opisano testową instalację w mieszkaniu wyremontowanej kamienicy z początku XX wieku znajdującej się w centrum Krakowa.

Budowie systemu z pompą ciepła i rekuperatorem sprzyjał kapitalny remont mieszkania, umożliwiający dowolną aranżację wnętrza i montaż urządzeń, a także ubieganie się o dotację ze środków miejskich na likwidację dwóch węglowych pieców kaflowych w ramach programu ograniczania niskiej emisji.

Utrudnieniem okazała się mała powierzchnia mieszkania (ok. 50 m²) i jednocześnie duża kubatura (wysokość kondygnacji to 3,2 m) oraz fakt, że jest ono dwupoziomowe – w salonie wydzielono antresolę o powierzchni ok. 20 m². Ponadto opisywane mieszkanie składa się z przechodniej kuchni, łazienki i garderoby oraz przedsionka.

Mieszkanie jest wysokie, co umożliwiło również wygospodarowanie miejsca na urządzenia techniczne poprzez obniżenie sufitów w części kuchni, łazienki oraz przedpokoju.

Oprócz dotacji na likwidację pieców węglowych inwestor ma możliwość skorzystać także z programu Prosument i wytwarzać energię elektryczną z instalacji fotowoltaicznej zamontowanej na dachu budynku.

Dla porównania rzeczywistych kosztów eksploatacyjnych przeanalizowano instalację ogrzewczą działającą w sąsiednim, identycznym mieszkaniu. Korzysta ono z ogrzewania elektrycznego – dwóch stojących pieców akumulacyjnych i rozliczeń energii w systemie dwutaryfowym.

Obydwa mieszkania poddano generalnemu remontowi, wymieniono też okna i drzwi.

Remont umożliwił budowę układu, który wykorzysta odpadowe ciepło z wentylacji mechanicznej jako dodatkowy strumień energii dla powietrznej pompy ciepła.

Układy takie z powodzeniem testowane były już w innym obiekcie. Inwestor nie zaakceptował jednak wstępnego kosztorysu i po korektach zdecydowano się na system pracujący przejściowo bez zintegrowanej automatyki – wykorzystujący jedynie własne sterowniki urządzeń i ich predefiniowane nastawy z ewentualną ręczną optymalizacją przeprowadzaną przez mieszkańców.

We wrześniu 2014 r. przystąpiono do montażu systemu składającego się z powietrznej pompy ciepła PUHZ ZRP60VHA + PEAD 60 RP o nominalnej mocy grzewczej 6 kW (zakres mocy od 0,9 do 7 kW przy SCOP = 4,1) oraz nominalnej mocy chłodniczej 6 kW (od 0,9 do 6,1 kW przy SEER = 5,8). Do układu z pompą ciepła włączono wysokosprawny rekuperator Air Pack 180 Flat o kompaktowej budowie.

Centralę umieszczono w przylegającej do ściany zewnętrznej garderobie, co pozwoliło na wyprowadzenie czerpni i wyrzutni na zewnątrz, a przewody wewnętrzne rozprowadzono w podwieszonym suficie. Do przygotowania ciepłej wody użytkowej zastosowano kompaktowy pojemnościowy elektryczny podgrzewacz o pojemności 80 litrów.

Wszystkie trzy urządzenia mają własne, niezintegrowane ze sobą systemy automatyki, co wywołało liczne trudności w optymalizacji całego systemu. Jego schemat ideowy przedstawia rys.

Działanie systemu

Wentylacja grawitacyjna została całkowicie zastąpiona przez układ wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła w rekuperatorze. Za rekuperatorem zainstalowano jednostkę wewnętrzną pompy ciepła w taki sposób, by strumień powietrza mógł być przez tę jednostkę ogrzewany lub ją omijać.

Jednostkę zewnętrzną pompy ciepła zainstalowano na elewacji budynku. Wywiew zużytego powietrza z rekuperatora skierowano tak, żeby strumień powietrza po rekuperacji był zasysany przez wentylator jednostki zewnętrznej pompy ciepła, stanowiąc dla niej dolne źródło ciepła.

Poszczególne nawiewniki mogą być sterowane (przymykane lub otwierane) w zależności od zapotrzebowania na świeże powietrze w mieszkaniu. Pomiar referencyjny temperatury dokonywany jest niezależnie przez automatykę rekuperatora (aut. rek.) i pompy ciepła (aut. PC) w jednym miejscu, co umożliwia otwarty układ mieszkania – oprócz łazienki mieszkanie nie ma ścian działowych i tworzy jedną kubaturę z antresolą.

W efekcie świeże powietrze po rekuperacji jest dogrzewane (a latem schładzane) przez wymiennik pompy ciepła stanowiący górne źródło ciepła i rozprowadzane po mieszkaniu przez wspomniane nawiewniki, wykonane na zamówienie. Rekuperator działa okresowo według programów opracowanych dla każdego sezonu – grzewczego/chłodniczego/przejściowego – oraz programu tygodniowego.

Sterowanie systemem uwzględnia temperaturę zadaną przez mieszkańców (aut. T ref. pom.) dla – w tym przypadku – jednego pomieszczenia i praktycznie tylko do nastawy temperatury sprowadza się rola użytkowników.

Podobnie rozwiązano optymalizację pracy elektrycznego podgrzewacza wody. Możliwe jest dogrzewanie łazienki przez grzejnik drabinkowy.

Chcąc płacić jak najmniej za energię elektryczną do zasilania podgrzewacza wody i grzejnika łazienkowego, muszą ręcznie optymalizować ich pracę. Pompa ciepła i centrala z rekuperatorem działają automatycznie według zadanych schematów względem temperatury zewnętrznej.

Rezygnacja z systemu zintegrowanej automatyki skutkuje okresowymi przeregulowaniami i nieoptymalnymi nastawami, co widać na wykresach temperatury w mieszkaniu i zużycia energii elektrycznej. Mieszkanie zostało bowiem opomiarowane z udostępnieniem danych w chmurze (system NetAtmo).

Zużycie energii elektrycznej przez cały system wentylacji i ogrzewania wraz z podgrzewaczem wody, oświetleniem LED i sprzętem AGD (w tym lodówka i pralka o klasach energetycznych A+) wyniosło w pierwszych czterech miesiącach użytkowania 2300 kWh, co stanowi koszt ok. 1200 zł w taryfie G12.

Jest on znacznie niższy od kosztów eksploatacji w sąsiednim, identycznym mieszkaniu wyposażonym w elektryczne grzejniki akumulacyjne. Ponadto mieszkanie ma zapewnioną sprawną wentylację, a pomiary stężenia CO₂ w obydwu lokalach wskazują, że wentylacja mechaniczna zapewnia lepszą jakość powietrza wewnętrznego.

Ocena systemu

Zaletą zastosowanego systemu jest lepsze zarządzanie energią wprowadzoną do mieszkania. Dzięki wysokosprawnej rekuperacji (ponad 90%) oraz utrzymywaniu stałej temperatury w mieszkaniu przez cały rok (19–21°C) obniża się zapotrzebowanie na energię pierwotną.

Można wprawdzie wysunąć argument, że pompa ciepła korzysta z energii elektrycznej wytwarzanej z niską sprawnością z węgla, jest to jednak rozwiązanie zdecydowanie korzystniejsze ekonomicznie i ekologicznie niż zwykłe grzejniki elektryczne, ponieważ sezonowy współczynnik efektywności dla tych pomp ciepła (SCOP) wskazuje, że zużywają one 4-krotnie mniej energii.

Ponadto w wielu starych, nawet modernizowanych budynkach nie ma możliwości wykorzystania gazu ziemnego.

Koszty inwestycji w innowacyjne systemy z użyciem pomp ciepła i wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła nie są niskie – w analizowanym przypadku wyniosły wraz z montażem ponad 30 tys. zł. Jak wspomniano, mogą się one zmniejszyć po uzyskaniu dotacji od miasta na likwidację źródła niskiej emisji. W kalkulacji kosztów trzeba też brać pod uwagę komfort, jaki zapewnia system ogrzewania i chłodzenia oraz wymiany powietrza niezależnie od warunków zewnętrznych. Koszt zakupu i montażu samej instalacji chłodzenia z wykorzystaniem klimatyzatora typu split sięga bowiem kilku tysięcy złotych.

Koszty eksploatacyjne można będzie znacznie obniżyć przy wykorzystaniu instalacji fotowoltaicznej o mocy ok. 6–8 kWp zamontowanej na dachu budynku.

Zakładając teoretycznie jej uzysk na poziomie 1000 kWh z 1 kWp, można liczyć na całkowitą samowystarczalność energetyczną w skali roku. Byłoby tak, gdyby stosowano w Polsce tzw. net metering.

Niestety, najprawdopodobniej tylko uzyski z pierwszych 1–4 kWp będą podlegały korzystnemu rozliczeniu w taryfie gwarantowanej, a pozostałe, których układ pompy ciepła i rekuperatora nie zdąży zagospodarować w czasie słonecznych 1500 godzin w roku, zakład energetyczny odkupi już po zaniżonych stawkach.

Opisywane rozwiązanie jest atrakcyjne dla budynków miejskich na obszarach z wysokim poziomem niskiej emisji. Wśród ograniczeń trzeba jednak wymienić niewielką powierzchnię dachów w budynkach wielolokalowych do montażu instalacji fotowoltaicznych.

Przy rozpatrywaniu systemów wykorzystujących powietrzne pompy ciepła w warunkach miejskich, szczególnie w centrach miast ze starą zabudową, warto wziąć pod uwagę fakt, że temperatury otoczenia są wyższe o 2–4 K w stosunku do terenów podmiejskich.

Opisywana instalacja wykonana została jako testowa, jednak wyniki jej eksploatacji zachęcają do dalszych doświadczeń. Na etapie projektu najwięcej wątpliwości budziła kwestia hałasu emitowanego przez pompę ciepła pracującą praktycznie bez przerwy. W praktyce okazało się, że nie sprawia on mieszkańcom i sąsiadom żadnego problemu.

To, co wydawało się najłatwiejsze, czyli montaż systemu wentylacji i sposób rozprowadzenia po mieszkaniu nawiewanego powietrza, okazało się największym wyzwaniem. Dopiero specjalnie zaprojektowane dysze wyrzutowe zapewniły komfort we wszystkich zakamarkach lokalu.

Największym mankamentem jest brak systemu integrującego automatykę wszystkich urządzeń. Doświadczenia z pracy innych instalacji wskazują, że optymalnym rozwiązaniem jest taki układ, w którym pompa ciepła, rekuperator i podgrzewacz ciepłej wody stanowią jeden spójny system, który sam się reguluje, poszukując optymalnych nastaw.

Dodanie zintegrowanego systemu sterowania BMS (okablowanie zostało wykonane) pozwoliłoby na obniżenie kosztów eksploatacyjnych i zapewnienie stałej temperatury mieszkania, bez wahań. System został całkowicie opomiarowany i łatwo wykryć sytuacje, kiedy użytkownik zapomniał przełączyć urządzenie i działało ono nieoptymalnie.

Pomimo niemałych kosztów inwestycyjnych w trakcie eksploatacji inwestor przekonał się, że zastosowany system zapewnia komfort, a koszty eksploatacji są niższe niż w alternatywnym rozwiązaniu z użyciem grzejników elektrycznych, co umożliwia zwrot kosztów inwestycji, szybszy w przypadku przyznania dotacji na likwidację źródła niskiej emisji.