Czy pompy ciepła są w stanie zapewnić wystarczająco wysokie temperatury systemu grzewczego?
Dlaczego maksymalna wymagana temperatura zasilania, nie decyduje o efektywności?
W dyskusji dotyczącej zastosowania pomp ciepła w istniejących budynkach, głównym argumentem przeciwko nim jest wysoka temperatura zasilania systemu grzewczego. Ma ona prowadzić do niskiej efektywności pomp ciepła, a w konsekwencji być parametrem wykluczającym sensowność ich stosowania.
Fot. Shutterstock
W tym kontekście należy odpowiedzieć na dwa pytania:
Czy pompy ciepła są generalnie w stanie zapewnić konieczne w budynkach istniejących temperatury?
Oraz:
Jak wysokie są te temperatury w rzeczywistości?
Odpowiedź na pierwsze pytanie zależy od wielu technicznych aspektów, między innymi jaki zastosowano czynnik roboczy oraz jaka jest charakterystyka kompresora. Ogólnie można powiedzieć, że standardowe pompy ciepła osiągają bez problemów temperatury z zakresu 55° do 60°C. Jest to oszacowanie raczej konserwatywne. Tak zwane „wysokotemperaturowe” pompy ciepła osiągają temperatury z przedziału 65° do 70°C (warto wspomnieć, że wymienione określenie zarezerwowane jest w zastosowaniach przemysłowych dla pomp ciepła osiągających ponad 100°C). Na rynku dostępne są również urządzenia osiągające 75°C. Na przykład pompy ciepła z naturalnym czynnikiem roboczym, propanem. Tak więc na pierwsze pytanie można odpowiedzieć twierdząco. Dostępne pompy ciepła są w stanie (w większości przypadków) zapewnić bez udziału dodatkowych grzałek elektrycznych wymagane temperatury systemu grzewczego.
Wyniki uzyskane podczas wieloletniego projektu monitoringowego pomp ciepła w istniejących domach jednorodzinnych w Niemczech, przeprowadzonego przez Instytut Fraunhofera ISE, wykazały stosunkowo wysokie średnie wartości efektywności badanych pomp ciepła. Dla wielu mogą one być nawet pewnym zaskoczeniem.
Przy analizie danych czekała jeszcze jedna niespodzianka – stosunkowo niskie średnie wartości temperatury zasilania systemu grzewczego. Po dogłębnej analizie zostały również „znalezione” oczekiwane i przez wielu uważane na konieczne, wysokie temperatury zasilania. Jednakże jedynie podczas najzimniejszych dni w roku i tylko w przypadku nielicznych instalacji. Ilość tych dni były jednakże tak niewielka, że efektywność pomp ciepła w tych momentach miała niewielkie znaczenie na średnią efektywność roczną. Nawet w przypadku budynków bez termomodernizacji, wyposażonych w konwencjonalne grzejniki, wymagana temperatura zasilania wynosiła ok. 55°C. Jednocześnie była ona wystarczająca dla zapewnienia pożądanego komfortu termicznego mieszkańców.
© Fraunhofer ISE
Opisywany fenomen można wyjaśnić na podstawie załączonej grafiki. Generalnie, im niższa temperatura zewnętrzna (oś pozioma), tym wyższa temperatura zasilania systemu grzewczego (linia pomarańczowa) i tym niższa efektywność pompy ciepła (linia zielona). Decydującym parametrem dla średniej (rocznej) efektywności pompy ciepła jest kiedy (przy jakich temperaturach zewnętrznych) dostarczane jest ciepło na cele grzewcze (niebieska powierzchnia). W zależności od wielu czynników głównie od stanu energetycznego budynku oraz strefy klimatycznej, 75-90% dostarczanej energii cieplnej „wytwarzana” jest podczas umiarkowanie niskich temperatur zewnętrznych. To z kolei ma wpływ na stosunkowo niskie temperatury zasilania systemu grzewczego, a w konsekwencji na dobrą efektywność pomp ciepła.
Podsumowując, można stwierdzić, po pierwsze, że pompy ciepła są w stanie w większości przypadków zapewnić wymagane temperatury zasilania również przy niskich temperaturach zewnętrznych. Oraz po drugie, że decydującą dla średniej efektywności instalacji z pompą ciepła nie jest najwyższa, lecz średnia wymagana temperatura zasilania. Te dwa fakty pozwalają na stwierdzenie, że pompy ciepła są w stanie skutecznie dostarczyć wymagane ciepło również w budynkach starszych, pracując jednocześnie z akceptowalną efektywnością.
Opisywane wnioski potwierdza program monitoringowy przeprowadzony w Szwajcarii. Również w tym projekcie badano pompy ciepła, między innymi w budynkach starszych o różnym poziomie termomodernizacji. Podobnie jak w przypadku niemieckiego projektu, również w badaniach szwajcarskich maksymalne temperatury w budynkach niewyposażonych w ogrzewanie podłogowe osiągały maksymalne temperatury ok. 55°C. Centralnym wnioskiem autorów tych badań jest stwierdzenie: „Poprawnie zaplanowane i zainstalowane instalacje z pompami ciepła są w stanie w sposób efektywny zastąpić systemy grzewcze oparte na paliwach kopalnych”.
Na koniec warto dodać, jak dużą wartością byłoby przeprowadzenie podobnego projektu monitoringowego również w Polsce. Zapewniłoby to nie tylko uwzględnienie polskich warunków pogodowych oraz polskiej charakterystyki budynków, ale również pozwoliłoby na niezależną ocenę i analizę urządzeń dostępnych w Polsce, w tym pomp ciepła polskich producentów.
Następny odcinek prezentowanej serii postara się odpowiedzieć na następujące pytania: Czy wymagana jest uprzednia termomodernizacja budynku przed instalacją pompy ciepła? Czy da się zapewnić dzięki pompie ciepła przyjemny komfort cieplny w istniejących budynkach? Oraz: Jak będzie działać pompa ciepła, jeśli po jej instalacji dokonamy termomodernizacji?
Raporty z projektów:
Günther et al., Fraunhofer ISE (2020) Wärmepumpen in Bestandsgebäuden: Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt „WPsmart im Bestand“. https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/downloads/pdf/Forschungsprojekte/BMWi-03ET1272A-WPsmart_im_Bestand-Schlussbericht.pdf
Prinzing et al, OST – Ostschweizer Fachhochschule 2020: Bericht «Feldmessungen von Wärmepumpen-Anlagen Heizsaison 2019/20». https://www.ost.ch/fileadmin/dateiliste/3_forschung_dienstleistung/institute/ies/wpz/sonstige_wichtige_dokumente/2020_jahresbericht_feldmessungen.pdf