Pompy ciepła w nietypowych zastosowaniach

Pompy ciepła oferowane dla sektora wymiany mają już parametry porównywalne z tymi dla instalacji niskotemperaturowych i mogą efektywnie zasilać instalacje o temperaturze powyżej 45°C. Obecny rozwój rynku wykazuje wysoki udział pomp ciepła typu powietrze/woda do zasilania instalacji w budownictwie mieszkaniowym i komercyjnym. Zwłaszcza pompy na wymianę czy stosowane po modernizacji budynków to głównie powietrzne pompy ciepła, ponieważ można je wdrożyć przy niewielkich w porównaniu do pomp gruntowych kosztach inwestycyjnych.

W ostatnich latach pompy ciepła wykorzystywane są też na nowych obszarach – w procesach przemysłowych i instalacjach ciepłowniczych. Takie zastosowania wiążą się z różnymi wymaganiami względem poziomów temperatur dolnego i górnego źródła ciepła w porównaniu do konwencjonalnych aplikacji, takich jak ogrzewanie niskotemperaturowe czy przygotowanie ciepłej wody. Są to instalacje wymagające wysokich temperatur dolnego i górnego źródła ciepła lub dużej różnicy pomiędzy nimi. To z kolei stymuluje ciągły rozwój w zakresie technologii sprężarek, olejów smarnych, czynników chłodniczych i sterowania.

Tak jak w kogeneracji znaleziono duże możliwości zwiększania efektywności energetycznej, tak coraz częściej zwraca się uwagę na potencjał ciepła odpadowego, zwłaszcza gdy jest ono dostępne stale i ma stosunkowo wysokie temperatury. W instalacjach takich sięga się często po pompy ciepła o dużych mocach.

Małe pompy ciepła i PV

Komisja Europejska postanowiła przeanalizować konkurencyjność europejskiego przemysłu grzewczego i chłodniczego. W tym celu m.in. opublikowała analizy przypadków udanego i konkurencyjnego wdrożenia innowacyjnych rozwiązań ogrzewania i chłodzenia. Studia przypadków mają na celu zilustrowanie, w jaki sposób technologie energii odnawialnej, takie jak energia słoneczna, biomasa, biogaz i pompa ciepła, wywierają wpływ na społeczności lokalne.

Jest wśród nich studium opisujące projekt renowacji obejmujący 96 domów jednorodzinnych w dzielnicy Presikhaaf w Arn­hem w Holandii [8]. Podczas remontu każdy dom otrzymał izolację termiczną, na dachach zainstalowano panele fotowoltaiczne o mocy ok. 10 kW (35 paneli na budynek) i zastosowano pompy ciepła typu powietrze/woda o mocy 8 kW do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Każdy dom został też wyposażony w moduły energetyczne o powierzchni ok. 2 m² umieszczone przed drzwiami wejściowymi – moduły te zawierają wszystkie urządzenia niezbędne do zaspokojenia potrzeb energetycznych budynku, czyli ogrzewania pomieszczeń, wentylacji, ciepłej wody i energii elektrycznej (fot. 1 i 2). Moduł zawiera falownik do zmiany prądu stałego na przemienny, centralę wentylacyjną z rekuperatorem do odzysku ciepła z powietrza wywiewanego oraz pompę ciepła. Moduły energetyczne to gotowe do użycia rozwiązania, które można łatwo podłączyć do domu za pomocą tylko kilku rur i przewodów. Moduły energetyczne oferowane są też w wersji do instalacji na dachu, ale jest to rzadko stosowane rozwiązanie – na wypadek gdyby na zewnątrz budynku nie było miejsca. W domach nie zastosowano chłodzenia klimatyzatorami – warunki pogodowe nie wymagają tego, poza tym zakłóciłoby to bilans energii i domy nie byłyby już zeroenergetyczne.

Moduły wymagają okresowych przeglądów i wymiany niektórych materiałów eksploatacyjnych, np. filtrów powietrza w centralach. Wszystkie systemy są opomiarowane inteligentnymi licznikami. Instalacja elektryczna podłączona jest do sieci energetycznej. Opomiarowanie pozwala monitorować zużycie energii i wody w każdym domu oraz identyfikować wszelkie straty energii i spadki wydajności energetycznej. Informacje te są wykorzystywane przez instalatorów do interwencji w przypadku wykrycia problemów, a także do planowania czynności konserwacyjnych. Podobnie, w razie potrzeby, są one wykorzystywane przez zarządcę/właściciela domów, aby zasugerować zmiany w zachowaniu użytkowników w celu osiągnięcia optymalnego zużycia energii, czyli zeroenergetyczności budynków. Tak niski poziom zużycia energii i opomiarowanie były warunkami koniecznymi do skorzystania z publicznych programów wsparcia mieszkalnictwa socjalnego.

Remontom poddano łącznie 96 małych domów w zabudowie szeregowej – 12 szeregowców po 8 budynków, pierwotnie zbudowanych w latach pięćdziesiątych. Zamieszkuje je ok. 400 osób, średnio 4,2 osoby na gospodarstwo domowe. Domy są własnością firmy zajmującej się budownictwem socjalnym i zostały odnowione i przekształcone w budynki o zerowym zużyciu energii, czyli łączna ilość energii zużywanej przez każdy dom w ciągu roku jest równa ilości energii odnawialnej wytwarzanej przed ten dom.

Wydajność grzewcza zastosowanych powietrznych pomp ciepła jest zmienna i wynosi od 1,5 do 8 kW, w zależności od różnicy między pożądaną temperaturą ogrzewania pomieszczeń a temperaturą zewnętrzną. Instalacja ogrzewcza typu zamkniętego z pompami obiegowymi korzysta z grzejników ściennych zasilanych wodą o temperaturze 40°C. Ciepła woda użytkowa jest gromadzona w zasobnikach o pojemności 185 l i ma temperaturę maks. 53–58°C. COP pomp ciepła w funkcji ogrzewania dla instalacji z grzejnikami naściennymi wynosi nieco powyżej 3 dla temperatury zewnętrznej –5°C (dla podłogowej byłby wyższy). Gdy temperatura zewnętrzna spadnie poniżej –12°C, można włączyć szczytowy system grzewczy, czyli grzałkę elektryczną. Dla zabezpieczenia instalacji c.w.u. przed ryzykiem namnażania się bakterii Legionella w zasobnikach raz w tygodniu przez kilka godzin woda jest przegrzewana do temperatury powyżej 60°C.

Pompy ciepła powietrze/woda to wydajne rozwiązanie w budynkach bardzo dobrze ocieplonych i z kontrolowaną wentylacją. W związku z tym podczas prac remontowych duży nacisk położono na izolację termiczną ścian i dachów, a szczelność powietrzna została sprawdzona za pomocą testów blower door. W przypadku Arnhem istniejące grzejniki ścienne nie zostały wymienione, gdyż z kalkulacji wynikało, że dzięki dobrej izolacji maksymalna temperatura wymagana do prawidłowego ogrzania każdego domu spadła z 70–80°C przed renowacją do 40°C po renowacji i taką są w stanie zapewnić pompy ciepła bez konieczności budowy niskotemperaturowej instalacji podłogowej.

Po przeanalizowaniu innych opcji zastosowania OZE uznano, że połączenie instalacji PV i powietrznych pomp ciepła jest optymalne dla osiągnięcia celu, jakim są budynki zeroenergetyczne. Instalacja PV na dachu domu daje tyle energii, ile budynek zużywa w ciągu roku. Energii jest więcej poza sezonem grzewczym, ale bilansuje się ona dzięki współpracy z siecią energetyczną.

Wariant z kolektorami słonecznymi nie tylko zmniejszyłby powierzchnię dachów na potrzeby paneli PV i tym samym uszczupliłby ilość produkowanej energii elektrycznej, czego skutkiem byłoby większe zapotrzebowanie na energię elektryczną z sieci, ale też ze względu na lokalne warunki pogodowe w okresie zimowym niezbędny byłby szczytowy system ogrzewania – np. pompy ciepła powietrze/powietrze do uzupełnienia energii cieplnej z kolektorów słonecznych. Pompy ciepła powietrze/powietrze dobrze się sprawdzają w tzw. domach pasywnych, czyli o bardzo dobrej izolacji termicznej i wysokiej szczelności powietrznej. Ponadto kolektory słoneczne produkowały w okresie letnim nadmiar ciepła, którego nie można wykorzystać.

Z kolei pompy ciepła powietrze/woda zawarte w modułach energetycznych są stosunkowo kompaktowe, co umożliwia najlepsze wykorzystanie bardzo ograniczonej przestrzeni dostępnej w domach socjalnych i pozwala zachować istniejące systemy dystrybucji ciepła (w tym grzejniki ścienne), a tym samym wariant ten nie powoduje ponoszenia zbędnych kosztów remontu.

Przed remontem domy zużywały ok. 1500 m³ gazu ziemnego rocznie (1800 m³ w domach narożnych) na cele grzewcze, co odpowiada emisji 2800 kg CO₂ (3380 kg dla domów narożnych). Całkowita emisja CO₂ związana z zaspokajaniem potrzeb grzewczych przed remontem wyniosła ok. 283 000 kg. Ponieważ domy o zerowym zużyciu energii nie emitują CO₂, połączenie fotowoltaiki słonecznej i pomp ciepła powietrze/woda pozwala zredukować emisję o co najmniej 283 000 kg. Redukcja emisji będzie z pewnością większa od tej wartości, jeśli weźmie się pod uwagę fakt, że oprócz zaprzestania korzystania z gazu ziemnego gospodarstwa domowe przestały również korzystać z konwencjonalnej energii elektrycznej z sieci.

Każdy moduł energetyczny kosztuje od 10 do 12 tys. euro, a jego przewidywany okres eksploatacji wynosi ok. 20 lat, czyli tyle, ile paneli fotowoltaicznych. Koszty eksploatacyjne są zwykle dość niskie i oczekuje się ich dalszego spadku w wyniku konkurencji między instalatorami w tym zakresie. Okres zwrotu kosztów całego remontu – ok. 75 000 euro na dom – wynosi ok. 40 lat. Zatem przy braku wsparcia z publicznych środków technologia ta jest dostępna tylko dla zamożnych i uświadomionych ekologicznie inwestorów.

W Holandii dostępne są dotacje, które częściowo rekompensują początkowe koszty inwestycji w odnawialne źródła energii. Ponadto rząd holenderski wspiera towarzystwa budownictwa społecznego (mają one ponad 2 mln mieszkań) w przekształcaniu starych domów w budynki zeroenergetyczne, umożliwiając m.in. zwiększenie czynszu (w zależności od jakości domu) i naliczanie najemcom niewielkiej dodatkowej opłaty, która mieści się w zaoszczędzonych wydatkach na energię – tym samym opłaty dla najemców nie wzrastają. Głównym celem takich programów wsparcia publicznego modernizacji ogrzewania jest bowiem całkowite odłączenie wszystkich domów od sieci gazu ziemnego w Holandii do 2050 roku.

Aby przekształcić domy socjalne w budynki o zerowym zużyciu energii, wymagane jest, by nie mniej niż 70% najemców zaakceptowało tę transformację i wyraziło zgodę na zmianę czynszu. Żeby uzyskać te zgody, firmy budownictwa społecznego i deweloperzy prowadzący remonty proszeni są o informowanie najemców zarówno o korzyściach dla środowiska, jak i bezpośrednich korzyściach w zakresie oszczędności energii – mniejsze rachunki za energię mają rekompensować ewentualny wzrost czynszu, a najemca zyskuje lepsze warunki życia.

W opracowaniu Komisji Europejskiej podkreśla się, że każdego roku w Holandii wymienianych jest ok. 300 000 instalacji grzewczych na gaz ziemny, jednak większość instalatorów nadal woli stosować ogrzewanie gazowe, ponieważ znają tę technologię i mają odpowiedni sprzęt do montażu. Kotły na gaz ziemny można zainstalować w pół dnia i są one znacznie tańsze niż pompy ciepła, gdy bierzemy pod uwagę tylko koszty inwestycyjne, bez uwzględnienia wydatków eksploatacyjnych.

Z kolei montaż pompy ciepła trwa około 1,5 dnia (montaż jednostek wewnętrznych i zewnętrznych, dostosowanie systemu dystrybucji ciepła) i tym samym jego koszty są wyższe. Z drugiej strony istnieje ograniczona liczba instalatorów zdolnych do montażu instalacji z pompami ciepła i nie spełnia ona oczekiwań rynku. Ponadto gaz ziemny jest w Holandii tani, co wpływa na konkurencyjność pomp ciepła.

We wnioskach zawartych w opracowaniu Komisji Europejskiej podkreśla się jednak, że domy socjalne są wynajmowane rodzinom o niewielkich dochodach. Projekt w Arnhem poprawił warunki życia ok. 400 osób o niskich dochodach, dając im sprawny system wentylacji, dobrą izolację termiczną i akustyczną, czyli ochronę przed zimnem i hałasem, oraz komfortowe ogrzewanie. Ponadto zastosowane moduły energetyczne pozwalają na przeprowadzenie czynności konserwacyjnych bez konieczności obecności najemców, ponieważ są one umieszczone na zewnątrz budynku i dzięki temu zawsze dostępne dla instalatorów i administracji. Zaletą tego rozwiązania jest też fakt, że cały remont trwał ok. 14 dni i nie wiązał się z dyskomfortem najemców.

Wpływ tej inwestycji na zatrudnienie nie jest znaczący, ponieważ zarówno instalacja modułów energetycznych, jak i czynności konserwacyjne wymagają takiej liczby pracowników, która niewiele różni się od liczby pracowników pracujących z instalacjami z ogrzewaniem gazowym.

Wspomniane zobowiązanie odłączenia wszystkich domów w Holandii od sieci gazu ziemnego do 2050 roku poparte jest skutecznymi programami wsparcia dla OZE ze środków publicznych. Systemy te odgrywają kluczową rolę we wdrażaniu pomp ciepła, gdyż obecne ceny gazu ziemnego i energii elektrycznej są niskie i okres zwrotu z inwestycji w energię odnawialną jest wciąż zbyt długi. Dodatkowymi barierami we wdrażaniu tej technologii są: brak wykwalifikowanych instalatorów i niska konkurencyjność cenowa pomp ciepła.

Przykład Arnhem pokazuje, że systemy wsparcia w połączeniu z dobrze zaplanowanymi pracami remontowymi, fotowoltaiką i pompami ciepła pozwalają na przekształcenie starych domów w budynki o zerowym zużyciu energii przy rozsądnych kosztach. Działania takie mają pozytywny wpływ na środowisko i znaczną redukcję emisji CO₂, przynoszą też wymierne korzyści gospodarstwom domowym pod względem oszczędności kosztów energii i poprawy warunków życia.

Duże pompy ciepła

Za duże pompy ciepła uważa się urządzenia o mocy powyżej 100 kW. Produkowane obecnie duże pompy ciepła mogą zapewnić ciepło o temperaturze do 100°C przy różnicy 50 K pomiędzy dolnym i górnym źródłem ciepła. Stosowanie pomp ciepła do zastosowań w temperaturach powyżej 100°C nadal stanowi duże wyzwanie. Chociaż znane są podstawowe zasady i istnieją prototypy dla tych poziomów temperatur, nie są one jeszcze dostępne w standardowych produktach. Obecny poziom projektów badawczo-rozwojowych, a także zwiększone zainteresowanie nowych graczy segmentem dużych pomp ciepła wskazują, że wkrótce pojawią się produkty nowe i ulepszone.

Mogą one szybko znaleźć zastosowanie w przemyśle oraz ciepłownictwie sieciowym. Na razie ich szerszemu wykorzystaniu nie sprzyjają oczekiwania inwestorów dotyczące szybkich zwrotów z inwestycji (maks. 2 lata), małe zaufanie do tej technologii oraz brak popularyzacji przykładów realizacji. Wśród przeszkód technologicznych wskazuje się na przywiązanie do procesów opartych na parze. Tym samym potencjał oszczędności energii oraz redukcji emisji CO₂ przez pompy ciepła w zastosowaniach przemysłowych jest w dużej mierze niewykorzystany.

W celu popularyzacji zastosowań dużych pomp ciepła EHPA opracowała poradnik „Pompy ciepła dużej mocy”, dostępny także w języku polskim na stronie PORT PC [5]. Przytoczony tam został przykład zastosowania wysokotemperaturowej pompy ciepła o mocy 255 kW, która pozwala na zwiększenie wydajności i efektywności systemu ciepłowniczego Wiednia bez powiększania mocy elektrociepłowni. Rurociąg powrotny systemu ciepłowniczego o temperaturze ok. 45°C jest wykorzystywany jako źródło dla pompy ciepła, która podnosi temperaturę wody powrotnej do 70–85°C. Urządzenie może również generować temperaturę zasilania do 98°C. Pompa ciepła osiąga współczynnik COP 5,3 i używa niepalnego oraz nieszkodliwego czynnika chłodniczego ÖKO 1.

Bardzo duże pompy ciepła

Najnowszym przykładem zastosowania w Wiedniu wysokotemperaturowej pompy ciepła do zwiększenia efektywności miejskiego systemu ciepłowniczego jest pompa o mocy blisko 30 MW. Wiedeń ma ok. 1,8 mln mieszkańców i ok. 33% mieszkań ma ciepło z sieci ciepłowniczej. Miasto przyjęło plan stopniowego zwiększania udziału OZE w produkcji ciepła – 8,8% w 2010 r., 11,6% do 2020 r. i 18,6% do 2030 r. Ciepłownictwo ma korzystać m.in. z głębokiej geotermii oraz ciepła z otoczenia i ciepła odpadowego. Budownictwo mieszkaniowe ma też korzystać ze zdecentralizowanych systemów zaopatrzenia w ciepło, wykorzystujących energię wiatru i słońca oraz ciepło odpadowe, ciepło ze ścieków i z wód gruntowych.

Miasto zmodernizowało wcześniej system energetyczny i korzysta m.in. ze skojarzonego systemu wytwarzania ciepła i energii ze spalania gazu oraz z elektrociepłowni na biomasę. Elektrownia na biomasę drzewną w dzielnicy Simmering pozwala na redukcję emisji CO2 z systemu energetycznego o ok. 144 tys. ton rocznie. Działa ona od 2006 roku i zaopatruje ok. 48 tys. wiedeńskich gospodarstw domowych w energię elektryczną, a 12 tys. w ciepło.

W kompleksie energetycznym w dzielnicy Simmering w gazowym układzie kogeneracyjnym zastosowano cykl kombinowany – z turbinami gazowymi i parowymi, które wytwarzają energię elektryczną. Większość tej energii wytwarzana jest w turbinie gazowej, która napędza generator. Spaliny z tej turbiny mają na tyle wysoką temperaturę, że służą jeszcze do wytwarzania pary wodnej, która napędza turbinę parową i wytwarza dodatkową energię elektryczną. Para z turbiny parowej jest z kolei wykorzystywana do celów ciepłowniczych. Obniża to wprawdzie moc elektryczną, ale daje bardzo dużo mocy cieplnej i tym samym jest wysoce opłacalne ekonomicznie. Wydajność wzrasta bowiem dwukrotnie w porównaniu do konwencjonalnej elektrociepłowni.

W ramach modernizacji systemu energetycznego Wiedeń postanowił wykorzystać dodatkowo energię ciepłej wody pochodzącej z kompleksu elektrociepłowni, która dotychczas była zrzucana do pobliskiego Kanału Dunajskiego – obok głównego nurtu Dunaju. Do odzysku tego ciepła odpadowego zastosowano dużą pompę ciepła o łącznej mocy 27,2 MW, która zaopatruje w ciepło 25 tys. gospodarstw domowych. Tym samym system ciepłowniczy zredukuje emisję CO2 o 40 000 ton rocznie. Budowę instalacji rozpoczęto w 2017 roku, a pompa zaczęła pracować w marcu 2019. Koszt inwestycji wyniósł 15 mln euro. Lokalizację instalacji pomp w dzielnicy Simmering wybrano nie tylko ze względu na bliskość elektrociepłowni, z których wykorzystuje się ciepło odpadowe, można też było wykorzystać nieczynną halę po starej turbinie elektrycznej, bez konieczności budowy nowego budynku. Pompy ciepła ważą 400 ton, a instalacja jest podłączona do systemu ciepłowniczego za pomocą rurociągu o długości 500 m.

Instalacja składa się z dwóch identycznych pomp ciepła, każda z niezależnym obiegiem chłodniczym. Czynnik chłodniczy pochłania ciepło ze zrzucanej wody z elektrociepłowni przez wymiennik ciepła i jest sprężany i ogrzewany przez sprężarkę zasilaną energią elektryczną. Następnie czynnik chłodniczy jest rozprężany, a uzyskane ciepło odpadowe przekazywane do wody ciepłowniczej. Instalacja ta może podnieść temperaturę z 6°C do poziomu 95°C.

Ciepło odpadowe w zrzucanych wodach ma temperaturę od 10 do 20°C, ale system został tak przemyślany, że w razie potrzeby może też czerpać ciepło z wody Kanału Dunajskiego. Nawet tak wysoka temperatura jak 95°C jest jednak wciąż zbyt niska dla głównych sieci ciepłowniczych w Wiedniu (które działają w temperaturze od 100 do 150°C) i tylko dzięki inteligentnemu systemowi dystrybucji możliwe jest kierowanie ciepła tam, gdzie wymagane są niższe temperatury i tym samym jest ono optymalnie wykorzystane w sieci.

Ciepło, które jest dostarczane do sieci ciepłowniczej, składa się w dwóch trzecich z ciepła odpadowego, a w jednej trzeciej z energii elektrycznej z tamtejszej elektrociepłowni. Wprawdzie COP wynosi tylko 3, ale wykorzystywana jest duża ilość ciepła odpadowego o względnie wysokiej i stałej temperaturze. Wien Energie planuje w jeszcze większym stopniu wykorzystywać ciepło odpadowe z elektrociepłowni, a nawet ciepło odpadowe z obiektów handlowych i z przemysłu.

Literatura

1. https://blog.wienenergie.at/2019/03/06/staerkste-grosswaermepumpe-mitteleuropas-pumpt-in-wien/ (dostęp: 7.01.2020).
2. https://www.energieleben.at/profis-am-wort-riesige-waermepumpe-fuer-wien/ (dostęp: 7.01.2020).
3. https://blog.wienenergie.at/ (dostęp: 7.01.2020).
4. https://www.wienenergie.at (dostęp: 7.01.2020).
5. http://portpc.pl/pdf/7Kongres/materialy/Poradnik_Pompy_ciepla_duzej_mocy.pdf (dostęp: 7.01.2020).
6. https://www.ehpa.org/about/news/article/large-heat-pumps-in-europe-second-edition-is-out/ (dostęp: 7.01.2020).
7. https://www.ehpa.org/fileadmin/red/03._Media/03.02_Studies_and_reports/Large_heat_pumps_in_Europe_MDN_II_final4_small.pdf (dostęp: 7.01.2020).
8. Case study on Heat pumps in Arnhem, the Netherlands, Annex A.3 to Part 1 of the Study on the competitiveness of the renewable energy sector, ENER/C2/2016-501, 28 June 2019, https://www.buildup.eu/sites/default/files/content/mj0319523enn.en_.pdf (dostęp: 15.01.2020).