Gdy spojrzy się na statystyki zebrane w Centralnej Ewidencji Emisyjności Budynków, widać ogromny potencjał do wymiany źródeł ciepła na polskim rynku. Zależnie od możliwości, inwestorzy będą stali przed wyborem kotła stałopalnego najwyższej klasy, kondensacyjnego kotła gazowego lub pompy ciepła. Oczywiście, każde rozwiązanie grzewcze ma swoje wady i zalety, jednak w ostatnich miesiącach szczególną popularnością cieszą się pompy ciepła – ze względu na bezobsługowość, możliwość zastosowania w miejscach bez dostępu do sieci gazowej czy też możliwość zwiększenia zużycia energii produkowanej z instalacji fotowoltaicznej. Przeanalizujmy zatem kilka wariantów montażu pompy ciepła w istniejącej instalacji grzewczej.

Obecnie wszelkie analizy rynkowe wskazują na spadek zapotrzebowania na urządzenia grzewcze w nowych budynkach w kolejnych latach. Jest to spowodowane zahamowaniem tempa oddawania nowych budynków mieszkalnych (i nie tylko) do użytkowania oraz ich budowy. Rynek, który w tym zakresie osiągał w ostatnich latach wartości szczytowe, w wyraźny sposób spowolnił, na co niewątpliwie ma duży wpływ sytuacja geopolityczna i gospodarcza, które przyniosły nam m.in. ogólną inflację, znaczący wzrost cen materiałów i w efekcie – ograniczenie możliwości nabywczych Polaków oraz wzrost ryzyka inwestycji. Nie oznacza to jednak znaczącego wyhamowania dla branży grzewczej.

Jednocześnie przewiduje się bowiem, że w kolejnych latach nastąpi istotne zwiększenie liczby robót instalacyjnych oraz termomodernizacyjnych w zakresie istniejących budynków. Wystarczy zestawić dane z Centralnej Ewidencji Emisyjności Budynków z wymaganiami uchwał antysmogowych (patrz: ramka), by dostrzec ogromną skalę wymian urządzeń grzewczych. To z tymi wyzwaniami będą się mierzyć w najbliższym czasie instalatorzy, producenci urządzeń grzewczych oraz serwisanci. Przeanalizujmy zatem kilka wariantów montażu pompy ciepła w istniejącej instalacji grzewczej oraz przyjrzyjmy się wadom i zaletom tych rozwiązań.

Pompa ciepła jako jedyne urządzenie grzewcze
W przypadku konieczności usunięcia starego urządzenia grzewczego – czy to z powodu niespełniania przez nie wymogów prawnych, czy też ze względu na jego wysoką awaryjność – do ogrzania budynku można zastosować samą pompę ciepła. Przy czym pompa ciepła nie zawsze może być „sama” w pełnym tego słowa znaczeniu. Jeżeli mamy do czynienia z pompą ciepła typu powietrze-woda, to zawsze musi mieć ona zabezpieczenie, co najmniej w postaci grzałki elektrycznej, która może być fabrycznie wbudowana w urządzenie.

Zapotrzebowanie energetyczne budynku a moc pompy ciepła. Parametry pracy pompy ciepła powietrze-woda, jak każdego tego typu urządzenia, są zależne od temperatury dolnego źródła. Gdy następuje spadek jego temperatury, spada również moc maksymalna urządzenia, maksymalna temperatura na zasilaniu oraz wartość współczynnika efektywności (COP). O ile w przypadku gruntowej pompy ciepła wahania temperatury dolnego źródła nie są znaczące w ciągu roku, o tyle powietrzne pompy ciepła muszą sobie „radzić” z zakresem temperatur od +30°C (latem, przy grzaniu ciepłej wody użytkowej) do blisko -20°C (zimą, przy zaopatrzeniu instalacji c.o. i c.w.u.). Przykładowo, moc grzewcza dla pompy ciepła powietrze-woda Vitocal 200-S D08 waha się w podanym przedziale temperaturowym od 12 kW do 4,3 kW, dla parametru 35°C na zasilaniu. Warto jednak pamiętać, że nigdy nie jest wskazane dobieranie pompy ciepła typu powietrze-woda na maksymalne zapotrzebowanie budynku – szczególnie w przypadku starszych budynków, o słabszej termoizolacji, byłoby to wyjątkowo nieekonomiczne.

! Zasadą jest tu stosowanie takiej pompy ciepła, która – pracując na samym obiegu chłodniczym – będzie w stanie utrzymać wymagany komfort cieplny przy temperaturze zewnętrznej na poziomie od -7°C do około -12°C.

W analizowanym przypadku, poniżej tej wartości (tzw. temperatury biwalentnej), jako wsparcie pompy ciepła uruchomi się grzałka elektryczna. Zużycie energii na pracę grzałki jest wpisane w funkcjonowanie urządzenia grzewczego, jakim jest pompa ciepła i jest to często bardziej ekonomiczne niż wybór urządzenia o większej mocy.

Istotny parametr – temperatura zasilania. Jeżeli polegamy tylko na jednym źródle ciepła – pompie ciepła typu powietrze-woda, bardzo ważne jest dobranie takiego urządzenia, które spełni wymogi pod względem maksymalnej temperatury na zasilaniu instalacji. Przy spadku temperatury zewnętrznej (przeważnie poniżej -10°C) spada również maksymalna temperatura zasilania obiegów grzewczych, jaką jest w stanie wytworzyć pompa ciepła. Instalacje grzejnikowe są najczęściej projektowane na parametr zasilania +55°C, więc jeżeli pompa ciepła nie będzie mogła wygrzać instalacji do tej temperatury poprzez pracę obiegu chłodniczego, uruchomią się grzałki elektryczne. Ponownie, w pewnym zakresie jest to jak najbardziej dopuszczalne, dobrze jest jednak zoptymalizować ten proces.

Z pomocą przychodzą tu pompy ciepła projektowane z myślą o modernizacjach, czyli charakteryzujące się wysoką temperaturą zasilania w pełnym zakresie pracy. Przykładem takiego urządzenia jest pompa ciepła Viessmann Vitocal 250-A, dla której wartość temperatury zasilania przy temperaturze zewnętrznej -10°C wynosi 70°C, a przy temperaturze -20°C – odpowiednio 60°C. Tak wysokie temperatury pracy osiągane są dzięki zastosowaniu czynnika chłodniczego, jakim jest propan, co jednak wymaga przestrzegania dodatkowych wytycznych związanych z bezpieczeństwem eksploatacji urządzenia z czynnikiem łatwopalnym. Wysoka temperatura wody na zasilaniu pozwala ograniczyć liczbę godzin pracy grzałki, co wiąże się również z niższymi kosztami pracy.

Porównanie pracy standardowej i wysokotemperaturowej pompy ciepła. Przeanalizujmy przypadek modernizacji źródła ciepła w słabo ocieplonym domu, o powierzchni 150 m², ogrzewanym grzejnikami o parametrach 55/45°C, w którym dotychczas pracował kocioł węglowy. W ciągu roku mieszkańcy tego domu zużywali średnio 5 ton węgla kamiennego na potrzeby ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Odliczając zapotrzebowanie na c.w.u. oraz uwzględniając sprawność starego kotła na poziomie 70%, takie zużycie przekłada się na zapotrzebowanie na moc cieplną na poziomie około 11,5 kW.

Mając takie informacje, przy wykorzystaniu kalkulatora doborowego (dostępnego np. na stronie viessmann-projektant.pl) można sprawdzić poprawność doboru nowego urządzenia grzewczego oraz określić szacunkowe koszty.

Standardowa pompa ciepła. Na początku weźmy zatem pod uwagę pompę ciepła powietrze-woda o standardowej temperaturze zasilania, np. Vitocal 200-S D10. Wartość punktu biwalentnego wynosi w tym przypadku -10,5°C, w związku z czym urządzenie zostało prawidłowo dobrane. Dla analizowanego przypadku roczne zużycie energii wynosi 9500 kWh, co przekłada się na koszty na poziomie 6550 zł.

Wysokotemperaturowa pompa ciepła. Drugie analizowane urządzenie to propanowa pompa ciepła powietrze-woda Vitocal 250-A A10, dla której punkt biwalentny wynosi -8,7°C, co również mieści się w odpowiednim przedziale. Jednak ze względu na lepsze dopasowanie urządzenia do wysokiego parametru zasilania, pomimo wyższego punktu biwalentnego, szacunkowe zużycie energii wynosi dla tej pompy ciepła 8600 kWh, a koszty eksploatacyjne to około 5900 zł. Jeżeli w instalacji wymagana byłaby wyższyłaby się na korzyść analizowanej pompy propanowej.

! Gdy pompa ciepła stanowi jedyne urządzenie grzewcze w modernizowanym budynku, istotne znaczenie ma jej prawidłowy dobór, zwłaszcza pod względem mocy i temperatury zasilania. Niezbędne jest też jej wyposażenie w wytwornicę ciepła w postaci grzałki elektrycznej.

Pompa ciepła jako uzupełnienie instalacji grzewczej
Jeżeli inwestor posiada kocioł, który spełnia wymogi nałożone przez uchwały i chce korzystać z dwóch różnych źródeł ciepła, można doposażyć jego instalację grzewczą w pompę ciepła. Posiadanie dwóch urządzeń grzewczych niewątpliwie zapewni większe bezpieczeństwo dostaw energii, a dodatkowo – pozwoli na optymalizację kosztów eksploatacji przez wybór źródła ciepła w zależności od aktualnych cen paliw i energii elektrycznej. Co więcej, można będzie bez obaw korzystać z pompy ciepła, która nie jest wyposażona w grzałkę elektryczną, ponieważ jej rolę przejmuje istniejący kocioł. Dodatkową zaletą takiego rozwiązania jest również możliwość doboru pompy ciepła na wyższy punkt biwalentny (np. -5°C), co pozwala często na znaczne ograniczenie kosztów inwestycyjnych. Znaczną różnicę widać szczególnie między urządzeniami jedno- i dwuwentylatorowymi – może ona sięgać nawet kilku tysięcy złotych. W takim przypadku zamiast wspomnianej wcześniej pompy ciepła o mocy 10 kW, można by zastosować znacznie tańsze urządzenie o mocy 8 kW.

! W przypadku łączenia dwóch źródeł ciepła kluczowe jest zgranie instalacji pod kątem hydraulicznym oraz od strony sterowania.

Współpraca z kotłem stałopalnym. Pompy ciepła – w przeciwieństwie do kotłów stałopalnych – nie mogą pracować w otwartym układzie centralnego ogrzewania, konieczne są więc przeróbki instalacji. Przy pracy z urządzeniem stałopalnym niezbędne jest również zabezpieczenie pompy ciepła przed zbyt wysoką temperaturą powrotu, poprzez zawór mieszający lub awaryjny stycznik odcinający pompę obiegową. Wzrost temperatury czynnika chłodniczego w skraplaczu, powoduje jednocześnie wzrost jego ciśnienia, a niekontrolowany podgrzew wody w układzie grzewczym może być przyczyną usterek lub nawet uszkodzenia pompy ciepła.

Współpraca z kotłem gazowym. Znacznie łatwiejsze jest zintegrowanie z pompą ciepła kotła na gaz, w którym sterowanie temperaturą zasilania odbywa się automatycznie i również łatwe jest jego wyłączenie. W takim przypadku kontrolę nad całym układem grzewczym może przejąć pompa ciepła, a kocioł gazowy może być uruchamiany przy stwierdzeniu zwiększonego zapotrzebowania na ciepło. Do takiej kontroli nie jest też wymagana rozbudowana automatyka po stronie kotła – wystarczy styk zwierno-rozwierny, do którego podłączony był wcześniej termostat pokojowy.

Wybór źródła ciepła z układu. Niektóre pompy ciepła mają specjalne funkcje dedykowane do pracy z zewnętrznym źródłem ciepła. Na przykład wspomniane już urządzenia Vitocal 200-S zostały wyposażone w funkcję Hybrid Pro Control. Algorytm ten – w zależności od wyliczanych w każdym momencie warunków pracy pompy ciepła (temperatura zewnętrzna oraz temperatura zasilania układu grzewczego) oraz wprowadzonych wcześniej cen energii elektrycznej i alternatywnego paliwa (gazu, oleju, ekogroszku, etc.) – wybiera pracę urządzenia tańszego w eksploatacji.
Drugą opcją jest wyznaczenie czynnika ekologicznego jako kryterium wyboru urządzenia, czyli wybrane zostanie to źródło ciepła, dla którego pobór energii pierwotnej (uwzględniającej nakłady energetyczne na potrzeby produkcji danego paliwa) jest niższy.

Pompy ciepła a charakterystyka istniejących budynków
Mimo że w ostatnich latach oddano do użytku wiele nowych budynków, większość budynków istniejących jest słabo zaizolowania. Według danych statystycznych opublikowanych w opracowaniu „Efektywność energetyczna w Polsce – Przegląd 2017”, aż 40% z nich nie ma żadnej izolacji termicznej, a zaledwie 13% miało na czas analizy izolację grubszą niż 10 cm. Tak niski poziom izolacji istniejących budynków przekłada się nie tylko na znaczne koszty ogrzewania, ale również na dużą emisję szkodliwych związków oraz pyłów, szczególnie w przypadku wykorzystania kotłów stałopalnych. Co więcej, przy rozważaniu wymiany istniejącego źródła ciepła na pompę ciepła może się okazać, że bez wykonania termomodernizacji taka inwestycja będzie zupełnie nieopłacalna – ze względu na wysokie koszty eksploatacji urządzenia.

! Chociaż technologia pomp ciepła stale się rozwija i obecnie zapewnia możliwość uzyskania na zasilaniu wody o temperaturze 70°C, to trzeba przyznać, że budynki wymagające takich temperatur do osiągnięcia komfortu termicznego nie będą właściwym miejscem do montażu pomp ciepła.

Należy wówczas, przed wymianą źródła ciepła lub równocześnie, rozważyć przeprowadzenie termomodernizacji (ocieplenie budynku, wymiana stolarki, wymiana grzejników). Przełoży się to przede wszystkim na zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło oraz pozwoli na obniżenie wymaganej temperatury na zasilaniu. Jeżeli nie jest możliwe wykonanie instalacji podłogowej, we współpracy z pompą ciepła sprawdzą się nowoczesne grzejniki niskotemperaturowe, pracujące na parametrach 45/35°C.

Artykuł stanowi kontynuację cyklu „Warsztaty instalatora OZE”, w którym publikujemy artykuły na temat instalacji fotowoltaicznych i pomp ciepła. Korzystając z wiedzy ekspertów z działu Wsparcia Technicznego i Szkoleń firmy Viessmann, przygotowujemy jego kolejne odcinki z praktycznymi wskazówkami dla projektantów i wykonawców, które zarazem mogą służyć jako argumenty w rozmowach z inwestorami.