Jaką rolę mogą odegrać pompy ciepła MultiTherma w procesie modernizacji starszych budynków?
Pompy ciepła IGLOO doskonale wpisują się w dekarbonizację również starszej daty budynków. Nadają się zatem zarówno do budynków nie tylko nowych, ale też tych obecnie podlegających lub mających wkrótce podlegać termomodernizacji. Szeroka gama modeli jednostek zewnętrznych, możliwość kaskadowania urządzeń, pozwala na zwiększenie wymaganej mocy dostarczanej do budynków w szczególności tych o dużej powierzchni i nie posiadających nawet stosownej izolacji. Możliwość produkcji wody grzewczej o temperaturze nawet 75 °C, deklaracja producenta IGLOO co do minimalnej temperatury pracy równej –25 °C, pozwala na skuteczną pracę tego typu źródła ciepła w każdych warunkach i dla potrzeb praktycznie każdego budynku. Jedne z najwyższych efektywności energetycznych pompy ciepła COP i SCOP, możliwość regulacji wydajności sprężarki aż do 10% jej wydajności znamionowej, pozwala na dopasowanie się do zmiennego obciążenia systemu grzewczego, które występuje przez blisko 99% czasu ciągu roku. Co więcej po zastosowaniu skutecznej i wysokiej klasy izolacji cieplnej termomodernizowanego budynku dokonanej nawet już po montażu pompy ciepła IGLOO pozwolić mogą na dalsze zwiększenie jej efektywności energetycznej bez ryzyka jej przewymiarowania, a to stanowi bolączkę rozwiązań tradycyjnych pomp ciepła tej starszej generacji obecnych na rynku z regulacją wydajności sprężarki tylko zaledwie do 50% jej wydajności znamionowej.
Kluczowym dla prawidłowej pracy i możliwe efektywnej (o niskich kosztach eksploatacji) ma prawidłowy dobór właściwej pompy ciepła, analiza jej charakterystyki pracy oraz znajomości charakterystyki cieplnej budynku. Takie funkcje jak kompensacja wartości zadanej temperatury wody grzewczej od temperatury powietrza zewnętrznego, tryby i harmonogramy pracy dla całego tygodnia i ich odpowiednia nastawa już przy uruchomieniu pompy ciepła maja decydujący wpływ na to jak będą kształtowały się koszty eksploatacji.
Jest to często pomijana kwestia, ale najbardziej kluczowa dla niskich kosztów pracy takiego systemu w budynku.
Zastosowanie powietrznej pompy ciepła biorąc pod uwagę wysokie koszty inwestycyjne gruntowych pomp ciepła coraz wyższą uśrednioną temperaturę powietrza zewnętrznego dla sezonu grzewczego przekładające się na wyższą uśrednioną roczną temperaturę na parowaczu powietrznej pompy ciepła w stosunku do jej wersji gruntowej wskazują, że właśnie to źródło ciepła może stanowić skuteczne narzędzie do transformacji energetycznej budynków z korzyścią w postaci coraz niższych kosztów eksploatacyjnych tego typu starszych obiektów. W szczególności gdy bierze się pod uwagę coraz wyższe koszty gazu w tym te związane z dodatkowymi opłatami związanymi z koniecznością wdrożenia podatku od ogrzewania i emisji ETS2, który ma nadejść w latach 2027-2028 roku oraz ich jeszcze większy wpływ na koszty energii cieplnej z gazu od 2030 roku.
Jakie oszczędności energetyczne można uzyskać dzięki pompie ciepła w starszych budynkach?
Wbrew pozorom koszty eksploatacyjne dla budynków wymagających nawet wyższej temperatury zasilania nie muszą być bardzo wysokie. Te bardzo niskie temperatury powietrza zewnętrznego występują bardzo rzadko. Uśredniona temperatura powietrza zewnętrznego dla sezonu grzewczego często dla danych z wieloleci oscyluje ok. 0 do +1 °C. Te najbardziej niskie temperatury np. rzędu -20 °C występują zaledwie przez kilka godzin w ciągu trwania sezonu grzewczego. Są to jednak dane jak wspomniano z wielu lat wstecz. Obecnie temperatury powietrza zewnętrznego są wyższe, te ekstremalne jeszcze rzadziej występują w ciągu sezonu grzewczego. Powstają też nowe projekty uregulowań prawnych zakładające wyższe obliczeniowe temperatury zewnętrzne jakie miały być przyjmowane do obliczeń strat ciepła o ok. 3-5 °C wyższe od obecnie przyjmowanych wartości do projektów. Także przy szacowanym na ok. 3 000 godzin pracy pompy ciepła w sezonie te dane w takim ekstremalnym punkcie pracy i efektywności pompy ciepła w takich warunkach mają znikome znaczenie. Jeśli zakładamy, że budynek cechuje jakieś zapotrzebowanie na 100% ciepło przy temperaturze zewnętrznej ok. -20 °C i temperaturze zasilania np. 55 °C to przy uśrednionej temperaturze zewnętrznej ok. 0-1 °C budynek będzie się cechował ok. 50% zapotrzebowaniem tej mocy. Taki budynek można zasilić wodą grzewczą o temperaturze ok. 45 °C zaś przy jeszcze wyższych temperaturach zewnętrznych np. +15 °C ustawić wyjściową temperaturę wody grzewczej na krzywej kompensacji na poziomie ok. 35 °C. Przy takiej krzywej grzewczej temperatura wody zadanej będzie sama się podnosić ze spadkiem temperatury zewnętrznej. Taką wartość oczywiście można indywidualnie dopasować. Co jest ważne to fakt, że jest możliwość wtedy kiedy nie ma takiej potrzeby (a taki stan trwa przez blisko ok. 99% czasu w sezonie grzewczym) by obniżać skutecznie temperaturę wody grzewczej przy zastosowaniu technologii pompy ciepła z korzyścią dla jej efektywności energetycznej i niskich kosztów eksploatacyjnych systemu grzewczego budynku. Często przy uruchomieniu pompy ciepła instalatorzy dokonują nastawy jednej temperatury wyjściowej wody grzewczej ustalonej na tą maksymalną np. 55 °C. Dla takich warunków zmiana temperatury zewnętrznej będzie wpływała tylko w ograniczonym zakresie na efektywność pompy ciepła. Należy brać zatem pod uwagę jeszcze jeden istotny fakt, że najczęściej w sezonie grzewczym temperatury zewnętrzne występują w zakresie od -2 do + 15 °C. W takich okresach efektywności powietrznych pomp ciepła będą jeszcze wyższe.
Jakie trudności mogą pojawić się podczas instalacji pompy ciepła w starszym budynku?
Starsze budynki są zazwyczaj słabiej izolowane i posiadają starszej generacji odbiorniki ciepła najczęściej grzejniki, często jeszcze żeliwne lub inne podobnego typu tj. zwymiarowane na bardzo wysoki parametr wody grzewczej. Wymagania dla tego typu budynków to dużej mocy pompy ciepła pozwalające na produkcję wody grzewczej o stosunkowo wysokiej temperaturze niezależnie do warunków zewnętrznych.
Użytkownicy tego typu budynków obawiają się z tego tytułu czy pompy ciepła w ogóle nadadzą się i sprostają takim wymogom, a także tego czy zastosowanie pompy ciepła nie będzie się wiązało z wysokimi kosztami eksploatacji.
Są to bardzo słuszne obawy, które wynikają poniekąd również z sytuacji na rynku i o której należy koniecznie wprost wspomnieć. Obecnie na rynku powstało i funkcjonuje wiele firm, które skuszone wizją szybkiego zarobku, zajmują się obecnie doborami i montażami pomp ciepła. Niestety wiele z tych firm poprzednio zajmowało się niekoniecznie systemami i instalacjami HVAC co widać po doborach urządzeń wykonywanych nawet na etapie ofertowania dla klientów. Brak podstawowej wiedzy jak zachowują się budynki w aspekcie fizyki budowli przegród budowlanych, przebiegu charakterystyk wydajności cieplnej i efektywności energetycznej, a także wyjściowej temperatury wody grzewczej od temperatury powietrza zewnętrznego i brak jakiejkolwiek analizy w tym zakresie powoduje, że pompy ciepła są często dobierane o zbyt małej mocy cieplnej do potrzeb budynków. Pozwala to uzyskać takim firmom dwa cele. Małej wydajności cieplnej pompa ciepła pozwala na przedstawienie niskiej ceny inwestorowi w stosunku do większej pompy ciepła. Rezultatem takiego doboru będą wysokie koszty eksploatacji, bo często punkt biwalentny wypada nawet w okolicach ok. 0 °C co powoduje konieczność już od wysokich temperatur zewnętrznych współpracy z dodatkowym źródłem grzewczym jakim jest najczęściej grzałka elektryczna. Często brak analizy wyjściowej temperatury wody grzewczej od temperatury zewnętrznej pompy ciepła często skutkuje tym, że pompa ciepła w niższych temperaturach zewnętrznych może wyprodukować wodę grzewczą o zbyt niskiej temperaturze np. tylko 35 °C, co również powoduje konieczność dogrzania zasobnika c.w.u. poprzez grzałkę elektryczną. Ukryte zawyżone koszty eksploatacji to zatem drugi cel który wychodzi już na etapie po sprzedaży pompy ciepła i ten problem już nie jest problemem firmy instalującej i sprzedającej pompę ciepła ale jest on już problemem inwestora. Wykonawca montuje już kolejną pompę ciepła dla kolejnego inwestora. A to niestety psuje i burzy reputację pompy ciepła jako tego najbardziej właściwego źródła ciepła, które może cechować się najniższymi kosztami eksploatacji, a jednocześnie pozwolić może na skuteczną dekarbonizację systemu grzewczego przez wykorzystanie do jej zasilania paneli fotowoltaicznych.
Kluczowym zatem jest w procesie analizy źródła ciepła dla tego typu budynku wybór właściwej pompy ciepła. Takiej która posiada wymaganą moc grzewczą nie w jednym punkcie, ale w pełnym zakresie zmian zapotrzebowania na moc cieplną budynku zmiennej w czasie, zależnie od występującej temperatury powietrza zewnętrznego i jej częstości występowania w ciągu roku.
Pompa ciepła powinna się cechować możliwością produkcji wody o wysokiej stosunkowo temperaturze w każdych możliwych do wystąpienia warunkach zewnętrznych.
Konieczny jest właściwy dobór pompy ciepła poprzez analizę jej charakterystyki mocy cieplnej i efektywności energetycznej w zależności od temperatury zewnętrznej oraz optymalne jej dopasowanie do potrzeb budynku. Niewłaściwym jest potocznie przyjmowanie jako pewnik przez wiele firm pojęcie doboru „przewymiarowanej” pompy ciepła do budynku. Nie ma takiego pojęcia w odniesieniu do produktu firmy IGLOO MultiTherma. Często firmy dokonujące doboru pompy ciepła posługuje się jako wytycznymi do doboru produktami jakie dana firma oferuje. Wiele pomp ciepła pracuje tylko w zakresie regulacji sprężarki tylko w zakresie od 50% do 100% jej wydajności znamionowej. Z tego powodu firmy oferujące takie produkty unikają ich możliwości taktowania przy wyższych temperaturach zewnętrznych.
Można posłużyć się następującym przykładem. Poniżej przedstawiono charakterystykę zapotrzebowania na ciepło dla przykładowego budynku. Przedstawiono również kilka możliwych przebiegów charakterystyk mocy cieplnej różnych pomp ciepła 1, 2 ,3. Pierwsza charakterystyka pomp nr 1 przedstawia charakterystykę pompy ciepła, która cechuje się stałą mocą cieplną aż do niskich temperatur zewnętrznych, natomiast charakterystyki 2 i 3 to przykłady pomp ciepła o różnej mocy które tracą na wydajności przy niższej temperaturze zewnętrznej.
To co kluczowe i to co jest pomijane w wielu analizach to fakt, że większość pomp ciepła dostępnych na rynku posiada regulację sprężarki tylko w ograniczonym zakresie obrotów najczęściej do ok. 50%. Dobierając pomp ciepła z takim zakresem regulacji można wywnioskować następujący fakt. Jeśli pompa ciepła nr 2 posiada moc grzewczą ok. 12 kW dla warunków znamionowych (powietrze zewnętrzne +7 °C) wówczas możliwy jest jej zakres regulacji wydajności tylko do około 6 kW. Oznacza to w praktyce nie mniej nie więcej, że takie zapotrzebowanie na moc cieplną wystąpi dla analizowanego budynku dopiero od temp. zewnętrznej ok. -2 °C. W zakresie występowania temperatur zewnętrznych pomiędzy -2 a + 15 °C (+15 °C dlatego że wtedy umownie przyjmuje się, że rozpoczyna się start sezonu grzewczego) pompa ciepła pomimo faktu, że posiada sprężarkę inwerterową będzie pracowała jak pompa ciepła ze sprężarką ON/OFF przez większą liczbę godzin. Prowadzi to do nadmiernego poboru mocy i zużycia energii elektrycznej, jak też do szybszego zużycia sprężarki (częstsza liczba załączeń i wyłączeń). Jak długo występują takie warunki w ciągu roku i podczas pracy pompy ciepła? Liczba godzin pomiędzy +15 a -2 °C dla stacji meteo Kraków Balice odpowiada 5775 godzinom. Uwzględniając czas pracy samej pompy ciepła, która liczona jest na poziomie ok. 3000 godzin odpowiadać to będzie liczbie 2500 godzin. Mamy zatem pompę ciepła ze sprężarką inwerterową, która pracuje jak pompa ciepła ze sprężarką ON/OFF przez 83% czasu w ciągu trwania sezonu grzewczego (2 500/3 000 = 0,83).
Spójrzmy teraz np. na charakterystyki mocy cieplnej pomp ciepła nr 2 i nr 3. Jeśli nawet przyjmiemy, że są to charakterystyki pomp ciepła IGLOO (choć nie do końca tak jest bo pompy ciepła tracą mniej niż na tych wykresach ze spadkiem temperatury zewnętrznej) to będą one się cechowały odpowiednio mocą ok. 23 i 13 kW dla warunków znamionowych (temp. zewn. +7 °C). Jeśli zakres regulacji tych pomp ciepła będzie taki jak dla pomp ciepła IGLOO i będzie wynosił 10% to pompy ciepła będą regulowane w zakresie mocy odpowiednio do 2,3 kW oraz do 1,3 kW. Odpowiada do mocy cieplnej budynku i przypisanej im temperaturom zewnętrznym odpowiednio 8 i 11 °C. Zatem tylko w zakresie temperatur zewnętrznych od +15 °C do odpowiednio +11 lub +8 °C pompy ciepła będą pracowały jak ze sprężarkami ON/OFF. Ilość wszystkich godzin dla w/w stacji meteo Kraków Balice i uwzględniając czas pracy samej pompy ciepła odpowiadać to będzie 1 177 i 775 godzinom tj. 25% i 39% czasu sezonu grzewczego.
Co można wywnioskować z takiej szybkiej analizy charakterystyki zapotrzebowania na moc cieplną budynku zarówno słabiej jak i dobrze zaizolowanego?
Nie ma czegoś takiego jak pojęcie przewymiarowanej pompy ciepła IGLOO. Pomimo faktu, że każda pompa ciepła dla pewnych warunków jest przewymiarowana w stosunku do potrzeb budynku to te pompy ciepła o małym zakresie regulacji wydajności sprężarki najczęściej tylko do ok. 50% mocy mogą cechować się niekorzystnym przez dłuższy okres czasu w ciągu roku niekorzystnym tzw. „taktowaniem sprężarki”, co prowadzi do szybszego zużycia sprężarki i zawyżonych kosztów eksploatacji. Problem wynika z faktu, że przy wyższych temperaturach zewnętrznych moc pompy ciepła jest większa, a zapotrzebowanie na moc cieplną przez budynek jest małe. W tym okresie objawia się tzw. „taktowanie sprężarki” i czas takiej pracy w takim stanie pomimo tego, że jest nawet inwerterowa jest uzależniony od zakresu regulacji sprężarki. Im jest on mniejszy (np. do 50% wydajności znamionowej) tym do niższych temperatur zewnętrznych sprężarka będzie się częściej naprzemiennie załączać i wyłączać a liczba godzin w sezonie w takim stanie pracy wzrośnie (szerszy zakres temperatur zewnętrznych to większa liczba godzin ich występowania). Zapotrzebowanie na moc cieplną budynku i moc cieplna pompy ciepła zmienia się bowiem w zależności od temperatury zewnętrznej.
Kluczowego znaczenia nabiera zatem przy doborze pompy ciepła znajomość charakterystyki cieplnej budynku oraz dobieranej pompy ciepła.
Pompy ciepła posiadające szeroki zakres regulacji wydajności mogą przyczynić się do mniejszego zużycia energii elektrycznej raz poprzez ich dłuższą pracę przez wiele godzin w sezonie z mniejszą prędkością obrotową w stosunku do konstrukcji ze sprężarkami inwerterowymi ale o mniejszym zakresie regulacji (np. do 50%) bo takie mogą pracować nawet przez dłuższy czas wciągu roku jak rozwiązania sprężarkami typu ON/OFF.
Zastosowanie nawet większej mocy pompy ciepła IGLOO pozwoli również na pokrycie przez dłuższy czas w ciągu sezonu jak nie przez cały sezon pełnego zapotrzebowania na moc cieplną budynku tylko przez pompę ciepła nawet bez konieczności załączenia dodatkowej grzałki elektrycznej wspomagającej system ogrzewania. Pompa ciepła IGLOO MULTI-THERMA, która posiada szeroki zakres regulacji wydajności cechować się będzie przez dłuższy czas pracy z przewymiarowanymi powierzchniami wymiany ciepła obu wymienników co przyczyni się do większej efektywności pompy ciepła, która będzie przez dłuższy czas pracowała z mniejszymi obrotami sprężarki.
W zakresie mocy cieplnej budynku z przykładu doborowego pozwala on na dobór pompy ciepła z typoszeregu MULTI-THERMA praktycznie dla wszystkich trzech wielkości MT12, MT17 oraz MT21. Punkt biwalentny dla takiego budynku w przypadku zastosowania tych pomp ciepła będzie wynosił odpowiednio ok.: -10 °C, -12 °C, -14 °C. W praktyce pompy ciepła będą praktycznie przez cały sezon w pełni pokrywać nawet całkowite zapotrzebowanie mocy cieplnej przez taki budynek. Budynek o mocy ok. 13 kW to budynek o powierzchni odpowiadającej powierzchni nawet do 400 m2 dla budynków o izolacji zgodnej z WT2021 lub mniejszej powierzchni jeśli budynek izolacji nie posiada lub jest ona zdecydowanie słabsza. Jednak taki dobór pompy ciepła w szczególności do budynków starszej i słabszej izolacji pozostawmy najlepiej inżynierom firmy IGLOO.
