Pompy ciepła efektywne również w starych budynkach. 20 lat badań nie zostawia wątpliwości
Jak pompy ciepła radzą sobie w praktyce, nie w warunkach laboratoryjnych – znalezienie odpowiedzi na to pytanie jest celem badaczy, którzy od 20 lat mierzą skuteczność systemów ogrzewania. Po przeanalizowaniu przeszło tysiąca urządzeń w typowych domach jednorodzinnych, zebrali solidną bazę danych. Te mówią same za siebie. - Pompy ciepła działają efektywnie przy dużym mrozie, zarówno w starych budynkach, jak i tych bez ogrzewania podłogowego – mówi dr Marek Miara z Heat Pumps Watch.
20 lat badań potwierdza, że pompy ciepła działają efektywnie przy dużym mrozie, zarówno w starych budynkach, jak i tych bez ogrzewania podłogowego. O rzeczywistej efektywności w znacznie mniejszym stopniu decyduje rodzaj ogrzewania czy rok budowy, a bardziej jakość projektowania i montażu, prawidłowe ustawienie regulacji oraz jak najniższa temperatura zasilania.
Największe badania przeprowadzono w Niemczech, Francji, Szwajcarii, Wielkiej Brytanii, Austrii i Holandii. Najdłużej, bo od 20 lat, trwa seria badań prowadzona w ramach kolejnych projektów przez instytut Fraunhofer ISE w Niemczech. Rekord liczby zbadanych instalacji należy natomiast do projektu obejmującego kilka krajów jednocześnie. Przeanalizowano w nim 1023 pompy ciepła, powietrzne i gruntowe. Choć poszczególne badania różniły się celami i metodami pomiaru, ich wyniki pozwalają na sformułowanie kilku wspólnych wniosków. Najważniejszy, wynikający ze wszystkich projektów, jest właściwie jeden. Poprawnie zainstalowane pompy ciepła sprawdzają się dobrze w każdych warunkach działania w terenie.
Efektywność w praktyce
Efektywność pompy ciepła to stosunek dostarczonego ciepła do potrzebnej w tym celu energii elektrycznej. Różnica względem wartości uzyskiwanych w laboratoriach (SCOP) jest zasadnicza. Rzeczywisty roczny współczynnik efektywności SPF (Seasonal Performance Factor) opiera się zawsze na danych zmierzonych w trakcie rzeczywistej pracy pompy ciepła w budynku, najczęściej z całego roku pracy instalacji. Upraszczając, SPF to stosunek energii cieplnej, która powstaje w danym okresie (np. roku) z jednej jednostki energii elektrycznej (zasilanie). Poniższy wykres zestawia porównywalne wyniki pomp ciepła powietrze/woda sześciu projektów badawczych, które w ciągu ostatnich 20 lat analizowały urządzenia pracujące w budynkach mieszkalnych.
We wszystkich badaniach (poza „St. Gallen / ETH Zürich”), efektywność wyliczano poprzez porównanie ilości ciepła dostarczonego przez pompę ciepła na cele ogrzewania pomieszczeń oraz ciepłej wody użytkowej z potrzebną do tych celów energię elektryczną. Na wykresie widać średnie wartości efektywności, przedział wyników, liczbę analizowanych instalacji oraz okres, jakiego dotyczy dane badanie. 5 z 6 projektów badawczych obejmował budynki wieloletnie, jeden – zarówno stare, jak i nowe. Średnie wartości wahają się od 2,6 w najstarszym badaniu do 3,7 w badaniu z najnowszymi pompami ciepła, tym samym, które objęło też najwięcej instalacji. Efektywność w terenie wyraźnie rośnie z czasem, z jednym wyjątkiem, jakim jest badanie ADEME.
- Jednoznacznie świadczy to zarówno o postępie samej technologii, jak i o coraz wyższej jakości projektowania i montażu – komentuje dr Marek Miara z Heat Pumps Watch, organizacji zajmującej się upowszechnianiem rzetelnej wiedzy na temat technologii pomp ciepła i transformacji sektora ogrzewania. Jej działalność opiera się na analizach i rekomendacjach przygotowywanych przy wsparciu ekspertów z obszarów nauki, przemysłu, organizacji pozarządowych, komunikacji i badań, a celem jest kształtowanie świadomych postaw konsumentów wobec pomp ciepła.
Obok pomp ciepła typu powietrze/woda wszystkie badania obejmowały też pompy ciepła wykorzystujące grunt jako źródło ciepła. Tu jednak zbadano wyraźnie mniej instalacji, co zresztą odzwierciedla rzeczywisty udział tej technologii na poszczególnych rynkach. Wynik jest za to spójny we wszystkich badaniach. Pompy gruntowe osiągają średnią efektywność na poziomie 4,2, czyli o punkt wyżej niż instalacje powietrzne. Grunt (najczęściej wykorzystywany za pomocą sond pionowych lub kolektorów poziomych) w chłodnych miesiącach ma po prostu wyższą temperaturę niż powietrze zewnętrzne, więc pompa ciepła ma lepsze warunki do efektywnego działania. Taka instalacja ma o ok. 25 proc. niższe koszty eksploatacji, niż pompa powietrzna, jednak trzeba pamiętać o wyższych kosztach inwestycyjnych.
Fot. Materiały Prasowe Panasonic
Dopasowanie temperatury grzania to duże oszczędności. Decydujące znaczenie mają nastawy
We wszystkich badaniach autorzy zwracają uwagę na duży przedział wyników. To sygnał, który można odczytać dwojako. Z jednej strony wskazuje na możliwe usterki i pole do poprawy w instalacjach z najsłabszymi wynikami. Z drugiej strony pokazuje potencjał, który wciąż czeka na wykorzystanie. Niektóre instalacje miały problemy, które da się łatwo naprawić, inne osiągały wyniki wręcz imponujące. Współczynnik SPF powyżej 4,5 dla pomp powietrznych i nawet powyżej 6,5 dla gruntowych pokazuje, jak doskonałe wyniki można osiągnąć, gdy instalacja jest dobrze zaprojektowana i skonfigurowana.
„Największy potencjał poprawy efektywności tkwi w starannym ustawieniu i późniejszym doregulowaniu sterownika ogrzewania” – to zdanie, w nieco odmiennych wariantach, powtarza się właściwie w każdym z analizowanych badań. Kluczowym parametrem jest tu krzywa grzewcza, czyli ustawienie, które określa, jaką temperaturę zasilania ma zapewniać ogrzewanie przy danej temperaturze na zewnątrz. Jej wpływ da się oszacować liczbowo. Reguła, potwierdzona zarówno pomiarami, jak i symulacjami, jest prosta. Obniżenie krzywej grzewczej o 1°C (bez zmiany jej nachylenia) poprawia efektywność instalacji o około 0,1. Przykładowo: przy zasilaniu na poziomie 50°C pompa może osiągać COP około 2,8-3,0, przy 45°C około 3,2-3,5, przy 35°C nawet 4,0-5,0.
W przeliczeniu na koszty, dla przeciętnego domu w Polsce, 1 punkt COP więcej (np. 3,0 na 4,0) przekłada się na oszczędność rzędu 1200 PLN rocznie. Działa to też w drugą stronę. Źle dobrane nastawy oznaczają niższą efektywność i niepotrzebne zużycie prądu. Mogą powodować zbyt częste włączanie i wyłączanie się pompy ciepła, co skraca jej żywotność, a czasem prowadzą nawet do pracy urządzenia poza sezonem grzewczym.
Pompy ciepła sprawdzają się także w starych budynkach z grzejnikami
Z przeprowadzonych badań płynie kolejny wspólny wniosek. Powietrzne pompy ciepła dobrze sprawdzają się nie tylko w budynkach z ogrzewaniem podłogowym, ale działają również efektywnie z grzejnikami. Ogólna zasada pozostaje bez zmian. Im niższa temperatura zasilania, tym wyższa efektywność. Jednak wiele instalacji z grzejnikami osiągnęło bardzo przyzwoite wyniki efektywności o wartościach 3,0 i wyższych. Powtarzany często mit, że pompa ciepła do efektywnej pracy potrzebuje ogrzewania podłogowego albo działa wyłącznie z nim, po prostu nie jest prawdą.
„Wiek budynku ma niewielkie znaczenie”. To najkrótsze możliwe podsumowanie analiz, które sprawdzały związek między datą konstrukcji domu a efektywnością. Rok budowy mówi wprawdzie coś o pierwotnym standardzie energetycznym budynku, ale o rzeczywistej efektywności decydują przede wszystkim aktualny stan modernizacji budynku i temperatura zasilania instalacji grzewczej. Badania potwierdzają, że pompy ciepła dobrze radzą sobie także w starszych, niezmodernizowanych budynkach. Obniżenie wymaganej temperatury zasilania (na przykład przez wymianę starych grzejników na tzw. niskotemperaturowe) oraz optymalizacja projektu i hydrauliki instalacji zawsze pomagają podnieść jej efektywność.
Wcześniejsza termoizolacja i usprawnienie wentylacji (np. z odzyskiem ciepła) budynku są oczywiście pożądane, ale nie zawsze są warunkiem koniecznym. W zdecydowanej większości przypadków pompy ciepła sprawdzają się także w budynkach nieocieplonych lub ocieplonych częściowo. Liczy się przede wszystkim to, żeby powierzchnia grzejników była odpowiednio duża i dopasowana do strat ciepła budynku tak, by zapewnić mieszkańcom komfort cieplny.
Zdany egzamin podczas mrozów
Pytanie, jak pompy ciepła radzą sobie przy mocnych mrozach, jest ważne nie tylko dla użytkowników (czy w domu będzie wystarczająco ciepło? czy nie będzie to zbyt drogie?), ale i dla całego systemu energetycznego (jaka moc elektryczna będzie wtedy potrzebna? czy sieć dystrybucyjna to udźwignie?). I na te pytania badania dają jednoznaczną odpowiedź.
Najzimniejszy miesiąc w historii projektów Fraunhofer ISE to luty 2021. Średnia temperatura powietrza dla badanych pomp ciepła wyniosła wtedy -3,6°C (dla porównania, w ciągu ostatnich 50 lat Niemcy miały tylko pięć miesięcy ze średnią temperaturą poniżej -3,5°C). Efektywność 17 instalacji (bez trzech najlepszych, zainstalowanych w budynkach w pełni zmodernizowanych) wyniosła w tym okresie 2,3, w przedziale od 1,6 do 2,8.
Innymi słowy, nawet przy niskich temperaturach z każdej kilowatogodziny prądu pompa ciepła wyciągała z powietrza ponad dwa razy więcej ciepła. Instalacja z najniższą efektywnością pracowała przy najniższej średniej temperaturze -10,2°C. Grzałki elektryczne włączyły się tylko w pięciu instalacjach i zostały uwzględnione w obliczeniach efektywności. W okresie objętym badaniem ADEME fala mrozów przyszła w styczniu 2024 roku. Przy średniej temperaturze -4°C w tym miesiącu badana próba osiągnęła średnią efektywność 2,0, a dla całego sezonu: 2,9.
Przykłady z Polski potwierdzają wnioski badaczy
Rzeczywiste przykłady eksploatacji zebrane przez producentów w Polsce pokazują, że pompy ciepła mogą pracować efektywnie nie tylko w nowych, ale również w starszych budynkach. W domu jednorodzinnym w Brodach, wybudowanym w 1997 r. i ogrzewanym wyłącznie grzejnikami, pompa ciepła GREE osiągnęła sezonowy współczynnik efektywności SPF na poziomie 3,5, dostarczając ponad 10 MWh ciepła do ogrzewania budynku.
Zobacz więcej w materiale video na YouTube:
Nagranie od producenta przedstawia kolejny przypadek skutecznej instalacji w starszym budynku z kaloryferami
Potencjał tej technologii potwierdzają także inwestycje wielorodzinne, czego przykładem jest Spółdzielnia Mieszkaniowa „Podlasie” w Bielsku Podlaskim, gdzie w istniejących budynkach mieszkalnych, powstałych w latach 1991-1995, zamontowano już 85 pomp ciepła (LG/WES), a projekt objął odejście od miejskiej sieci ciepłowniczej na rzecz własnego systemu opartego na pompach ciepła, fotowoltaice i magazynach energii.
- 20 lat badań potwierdza, że pompy ciepła działają efektywnie przy dużym mrozie, zarówno w starych budynkach, jak i tych bez ogrzewania podłogowego. O rzeczywistej efektywności w znacznie mniejszym stopniu decyduje rodzaj ogrzewania czy rok budowy, a bardziej jakość projektowania i montażu, prawidłowe ustawienie regulacji oraz jak najniższa temperatura zasilania – podsumowuje dr Marek Miara.