Powietrzne pompy ciepła w ciekawych zastosowaniach

Powietrzne pompy ciepła znajdują zastosowanie przede wszystkim w domach jednorodzinnych, gdzie pojawiają się jako odpowiedź na oczekiwania właściciela w zakresie obniżenia rachunków za energię. Firma Nibe podaje przykład domu o powierzchni 170 m² dla czteroosobowej rodziny, w którym ogrzewanie elektryczne pochłaniało 27 tys. kWh energii, przy całkowitym zużyciu 33 tys. kWh. Kiedy przyszedł czas na wybór nowego rozwiązania grzewczego, zdecydowano się na pompę ciepła powietrze/woda typu split do przygotowania c.w.u. oraz zasilenia klimakonwektorów na każdym piętrze (pozostawiono kilka grzejników elektrycznych jako rezerwę na wypadek wyjątkowo niskiej temperatury). Po wymianie systemu grzewczego zużycie energii na cele grzewcze spadło trzykrotnie – do 9 kWh rocznie (tylko opcja grzania, bez chłodzenia latem).

Stare domy, nowoczesne pompy

W Wielkiej Brytanii można znaleźć szereg ciekawych przykładów instalacji powietrznej pompy ciepła do ogrzewania, chłodzenia i produkcji c.w.u. w domach liczących 100 (i więcej) lat. Ich właściciele często nie chcą ingerować w instalację grzewczą – ze względów ekonomicznych, konstrukcji budynku czy jego wartości historycznej. W zależności od skali remontu powietrzna pompa ciepła może się stać elementem hybrydowego systemu grzewczego, w którym współpracuje z istniejącym (lub wymienionym) kotłem, np. olejowym.

Dodatkową motywacją dla właścicieli jest możliwość dofinansowania takiej inwestycji. Powietrze w Wielkiej Brytanii traktowane jest jako odnawialne źródło ciepła, instalacje z wykorzystaniem powietrznej pompy ciepła są więc objęte programem Renewable Heat Incentive (RHI). Jest to program prowadzony przez Ofgem (Office of Gas and Electricity Markets) – rządową niezależną agencję zajmującą się rynkiem gazu i elektryczności. Instalacje zakwalifikowane do programu otrzymują przez 7 lat dofinansowanie o wartości szacowanej na podstawie rzeczywistego wykorzystania OZE. Kwotę dofinansowania wyznacza się w oparciu o pomiary dokonywane za pomocą zarejestrowanego miernika energii elektrycznej, z uwzględnieniem zużycia energii przez pompę ciepła (w oparciu o COP określony przez instalatora systemu) – za 1 kWh energii uzyskanej z pompy ciepła określona została stawka w wysokości 0,0742 funta.

Firma Vaillant przeprowadziła symulację dotacji uzyskanej z RHI dla typowego domu szeregowego z 1920 roku (98 m², dwa piętra). W budynku zastosowano system hybrydowy – pompę ciepła powietrze/woda Vaillant aroTHERM 5 kW (rozwiązanie zewnętrzne wymagające montażu w domu modułu hydraulicznego i sterownika) oraz kocioł ecoTEC Plus 31 kW combi. Co ważne, dotacja dotyczy tylko energii uzyskanej dzięki pompie ciepła (bez uwzględnienia energii z kotła), dlatego musi ona mieć osobny licznik elektryczny. COP pompy określono na 3,15.

Właściciele Mosswood Cottage – domku w hrabstwie Yorkshire pochodzącego z końca XIX wieku – zmagali się z mało wydajnym rozwiązaniem grzewczym, jakim był kocioł olejowy. Chcieli jednocześnie uniknąć ingerencji w zastosowany w domu system grzewczy (np. montaż ogrzewania podłogowego). Dzięki propozycji przygotowanej przez lokalną firmę Solarwall, specjalizującą się w energii dla domów, zdecydowali się na stworzenie systemu hybrydowego. Istniejący kocioł olejowy został połączony z nową zewnętrzną pompą ciepła powietrze/woda aroTHERM 11 kW z oferty firmy Vaillant. Ważnymi elementami systemu stały się też moduł wymiennika oraz zbiornik buforowy 40 l. Zgodnie z oczekiwaniem gospodarzy zachowano istniejącą instalację grzewczą, wymieniając tylko jeden grzejnik. Kluczowym elementem systemu hybrydowego jest system sterowania urządzeniami grzewczymi zapewniający najwyższą efektywność energetyczną poprzez maksymalne wykorzystanie powietrza jako źródła energii odnawialnej. Umożliwia to inteligentny system wyboru taryfy triVAI – sterownik VRC470 oblicza, które źródło (pompa ciepła czy kocioł) jest w danym momencie rozwiązaniem najbardziej efektywnym.

Zastosowanie systemu hybrydowego w przypadku tej nieruchomości ma przynieść (w odniesieniu do systemu bez pompy ciepła) ok. 1600 euro oszczędności rocznie oraz (dzięki programowi Renewable Heat Incentive) dodatkowy zysk wynoszący ponad 11 tys. euro w ciągu 7 lat.

Dom pasywny z pompą ciepła w roli głównej

Powietrzna pompa ciepła może też odegrać znaczącą rolę jako część systemu ogrzewania domu pasywnego – dzięki połączeniu zalet pompy ciepła ze szczelnością powietrzną budynku i zastosowaniu ogrzewania niskotemperaturowego wodnego i powietrznego oszczędności energii są szczególnie widoczne. Duńska marka Nilan (a właściwie jej irlandzki oddział) zaproponowała rozwiązanie, w którym zewnętrzna powietrzna pompa ciepła została zintegrowana z systemem wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła – dzięki temu może ona wykorzystać dodatkową energię z powietrza wylotowego z rekuperatora. Bazą jest urządzenie Compact P Air 9, zastosowano je np. w certyfikowanym domu pasywnym (167 m², N50 = 0,56, zapotrzebowanie na ciepło wynoszące 15 kWh/m²/rok = 10 W/m²) w południowo-zachodniej Irlandii na terenie wiejskim. W budynku funkcjonuje system ogrzewania powietrznego zapewniający stałą temperaturę 20°C. Temperatura c.w.u. (z gwarancją stałej dostępności) wynosi 52°C – jej przygotowanie i dostępność wspiera zbiornik c.w.u. o objętości 180 l. Z systemem zintegrowany jest także płaski kolektor słoneczny 4,12 m² ze zbiornikiem buforowym 300 l. Całość wspierana jest przez dodatkową gruntową pompę ciepła (2 kW), pracującą wyłącznie w trybie zimowym i zasilającą powietrzne ogrzewanie podpodłogowe zamontowane w łazienkach i przedpokojach.

W 2012 roku pompy ciepła miały wskaźniki COP wynoszące odpowiednio 3,4 dla pompy powietrze/powietrze i 2,3 dla pompy powietrze/woda. Dla przedstawionych wcześniej założonych parametrów (temperatura powietrza wewnętrznego 20°C i temperatura c.w.u. 52°C) całkowite zużycie energii przez pompę ciepła, wentylatory centrali rekuperacyjnej i solarną pompę obiegową wynosi 1200 kWh/rok (koszt 220 euro). W lokalnych warunkach dla tego obiektu przynosi to ok. 1100 euro oszczędności rocznie w porównaniu do konwencjonalnego kotła olejowego. Porównując koszty instalacji (ok. 2,8 tys. euro za kocioł i ok. 8,75 tys. euro za pompę ciepła), zwrot kosztów instalacji szacuje się na 2,5 roku.

Nowe domy u naszych sąsiadów

Przykładem realizacji w nowym budynku wielorodzinnym (z siedmioma mieszkaniami) jest obiekt zbudowany w 2015 r. w niemieckim Erlabrunn. Zastosowano w nim pompy ciepła powietrze/woda Heliotherm HP20L-M-WEB. W budynku o powierzchni użytkowej 530 m² zastosowano niskotemperaturowe ogrzewanie podłogowe oraz ścienne. Do przygotowania c.w.u. zamontowano zasobnik wody ciepłej o pojemności 850 l oraz zasobnik świeżej wody użytkowej o pojemności 2000 l. Roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną na cele ogrzewania wynosi tylko 6150 kWh, a uwzględniając zapotrzebowanie na c.w.u., budynek zużywa łącznie 9270 kWh. Pompa wytwarza rocznie na cele c.o. i c.w.u. ok. 40 000 kWh, co daje JAZ na poziomie 4,23. 

JAZ (niem. Jahresarbeitszahl) to stosowany powszechnie w Niemczech roczny współczynnik efektywności energetycznej, wskazujący na stosunek wyprowadzonej z urządzenia energii cieplnej do doprowadzonej energii elektrycznej w ciągu roku, odniesiony do konkretnej instalacji i budynku. Im wyższy JAZ, tym wyższa rzeczywista sprawność energetyczna instalacji z pompą ciepła. Wartość 4,23 oznacza, że do obiegu grzewczego obiektu przekazana została energia cieplna stanowiąca ponad czterokrotność pobranej energii elektrycznej.

Innym przykładem nowego budynku z powietrzną pompą ciepła jest dom jednorodzinny o powierzchni 220 m² zbudowany w Bad Goisem w Austrii. Zastosowano w nim niskotemperaturowe ogrzewanie podłogowe, a w łazienkach dodatkowe grzejniki łazienkowe. Energię dostarcza pompa ciepła Heliotherm HP12L-M-BC-80 typu split z pełną modulacją, przygotowaniem c.w.u. oraz zdalnym nadzorem. Dom użytkuje rodzina dwuosobowa. Roczne koszty ogrzewania wynoszą ok. 550 euro, tj. ok. 2400 zł, co nie jest wygórowaną kwotą za ogrzewanie tak dużej powierzchni.

Świadomy wybór

Powietrzne pompy ciepła są coraz chętniej wybierane jako rozwiązanie mające obniżyć koszty energii przez inwestorów remontujących obiekty – także tych, dla których barierą mogłyby się stać koszty inwestycyjne. Wynika to przede wszystkim z rachunku ekonomicznego. Zakup powietrznej pompy ciepła może się zwrócić w ciągu kilku lat – zależnie od warunków wyjściowych i założeń przyjętych do obliczeń (np. uwzględnienie wymiany kotła albo remontu izolacji budynku) może to być od 1,5 do 7 lat, co przy żywotności systemów opartych na pompie ciepła, szacowanych na 25 lat, jest już dla właścicieli opłacalne. Z takiego założenia wyszło m.in. stowarzyszenie mieszkaniowe Armii Zbawienia w hrabstwie Essex, w którego budynkach zastosowano powietrzne pompy ciepła Mitsubishi Ecodan wraz ze zbiornikami c.w.u. Remont każdego domu został zaplanowany indywidualnie, np. w części budynków zastosowano system hybrydowy, łącząc pompę ciepła z istniejącym źródłem ogrzewania.

Powietrzne pompy ciepła są także coraz chętniej wybierane dla rozwiązań o nieco większej skali, np. hoteli czy niewielkich budynków użyteczności publicznej.

Powietrzne  pompy ciepła w hotelu

Elegancki, czterogwiazdkowy hotel The Riverside Park Hotel w Irlandii jest obiektem bogato wyposażonym w urządzenia, których eksploatacja przekłada się na wysokie zapotrzebowanie na ogrzewanie i c.w.u. – m.in. basen, basen z atrakcjami dla dzieci, jacuzzi czy węzły sanitarne w pokojach wyposażone w wanny i urządzenia do hydromasażu. W lutym 2017 roku całkowicie wymieniono system grzewczy. Właściciele obiektu oczekiwali ochrony przed niepewnymi cenami energii pochodzącej z paliw kopalnych, tzn. przed nieprzewidywalnie zmiennymi kosztami. Rozwiązanie miało być też przyjazne środowisku, jednocześnie spełniając wysokie wymagania dotyczące produkcji c.w.u. oraz ogrzewania przestrzennego – dla obiektu hotelowego, centrum wypoczynkowego, basenu oraz jacuzzi. Całość wymagała zainstalowania rozwiązania o wydajności grzewczej 180 kW.

Projekt i montaż instalacji wykonała miejscowa firma GS Renewables, stosując:   

• trzy powietrzne pompy ciepła o wydajności grzewczej 60 kW każda (razem 180 kW),         
• zbiornik c.w.u. 200 l,         
• zbiornik buforowy 1000 l,         
• tytanowy wymiennik ciepła dla basenu,         
• glikolowy system chłodzenia piwa ze zintegrowanym odzyskiem ciepła odpadowego do przygotowania c.w.u.

Do ogrzewania zastosowano niskotemperaturowe grzejniki, które mogą być zasilane wodą grzewczą o temperaturze 40°C. Hotel obsługuje 110 grzejników Dimplex SmartRads. Zastosowanie wody grzewczej o niskiej temperaturze znacząco wpływa na zmniejszenie zapotrzebowania na energię. Uzupełnieniem systemu jest zdalny monitoring pracy pomp ciepła (dane dostępne przez 24 h w przeglądarce sieciowej).

Ekobudynki użyteczności publicznej

Małe budynki użyteczności publicznej – szpitale, domy opieki, punkty organizacji pożytku publicznego – również wykorzystują powietrzne pompy ciepła. Mogą być one stosowane do produkcji c.w.u. lub do obsługi całego systemu (ogrzewanie i produkcja c.w.u.).

W domu opieki w Yorkshire dwie pompy monoblokowe Mitsubishi Ecodan 14 kW zamontowane są ok. 70 m od maszynowni i połączone z nią zagłębionymi w ziemi rurami preizolowanymi. W maszynowni znajdują się dwa zbiorniki wstępne (500 l), każdy zasilany przez jedną pompę ciepła i zapewniający przygotowanie wody o temperaturze 50°C. Wstępnie podgrzana woda przekazywana jest do właściwego zbiornika, magazynującego wodę o temperaturze 60°C (ogrzewanie gazowe). Jak wskazuje projektant i wykonawca instalacji, miejscowa firma Geowarmth, zbiorniki wstępne c.w.u. pozwalają na optymalne wykorzystanie potencjału powietrznych pomp ciepła w przygotowywaniu c.w.u. – większość potrzebnej energii pochodzi z odnawialnego źródła ciepła, a zapewniając temperaturę c.w.u. w wysokości 50°C, pompy ciepła pracują optymalnie.

Jeśli pompa ciepła ma zasilać także ogrzewanie, stosuje się najczęściej rozwiązanie monoblokowe w parze z wodnym ogrzewaniem podłogowym. Pięć pomp ciepła Mitsubishi Ecodan 14 kW zasila ogrzewanie podłogowe w szpitalu w Middlesbrough, a w domu opieki w Newcastle pracuje monoblokowa pompa zewnętrzna Dimplex 25 kW.

Rozwiązanie zapewniające zarówno c.w.u., jak i ogrzewanie pojawiło się także w budynku będącym centrum informacji onkologicznej (Family Cancer Information & Support Centre), stanowiącym część szpitala uniwersyteckiego Norfolk & Norwich University Hospital. Jest to nowoczesny, dobrze zaizolowany budynek o powierzchni 250 m². Wybór pompy ciepła powietrze/woda (do zasilania centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej i instalacji c.w.u.) podyktowany został nie tylko oszczędnością energii, ale i ograniczonym miejscem – zarówno wokół obiektu (niemożność instalacji wymiennika gruntowego), jak i w samej maszynowni. Lokalna firma SIG Management zaproponowała pompę ciepła Atria firmy Thermia. Jej stosowanie przez 25 lat ma przynieść ok. 27–28 tys. euro oszczędności (w porównaniu do kotła olejowego o sprawności 75% i przy założeniu kosztów energii elektrycznej 7 pensów za kWh, a oleju – 3 pensy/kWh).

Pompa ciepła zasila wodne ogrzewanie podłogowe, a bezpieczeństwo dostaw c.w.u. ma zapewnić zintegrowany zbiornik 180 l, oznaczony jako TWS. Jest on wyposażony w ciekawe rozwiązanie techniczne, opracowane i przebadane we współpracy z politechniką w Sztokholmie. Wbudowany mały zbiornik wewnętrzny z podgrzewanym płynem niezamarzającym zapewnia zautomatyzowane, cykliczne rozmrażanie zewnętrznego wymiennika ciepła.

Rosnące zainteresowanie inwestorów powietrznymi pompami ciepła wynika z połączenia dwóch cech – oszczędności związanych z mniejszym zużyciem energii i nieinwazyjnego montażu, co jest ważne zarówno w przypadku remontu, jak i ograniczonego miejsca przy budowie nowego obiektu. Ogrzewanie, przygotowanie c.w.u., system hybrydowy, współpraca z różnymi systemami ogrzewania i wentylacji – wiele zastosowań pomp powietrznych wraz z rosnącą świadomością ekologiczną na pewno przysporzy tym urządzeniom kolejnych zwolenników.