Pompy ciepła w wielu krajach europejskich stają się standardowym źródłem ciepła znajdującym zastosowanie w nowych budynkach. Szczególnie jest to widoczne w Szwecji, Szwajcarii i Austrii, gdzie od 70 do 90% nowych budynków wyposaża się w pompy ciepła do celów ogrzewania. W Niemczech jest to już ponad 30%, podczas gdy w Polsce szacuje się, że około… 4%. Potencjał dla rozwoju rynku pomp ciepła na cele grzewcze jest w Polsce jednak znaczny i w najbliższych latach można się spodziewać wyraźnego wzrostu zainteresowania ze strony klientów.
Sprzedaż pomp ciepła solanka/woda w Polsce w 2010 wyniosła 3500 szt. co stanowiło 58% ogółu pomp ciepła przeznaczonych do ogrzewania budynków. W ostatnim 2014 roku sprzedaż wyniosła blisko 4700 szt. (wzrost o 34% do 2010 roku), ale udział rynkowy obniżył się do 44% z powodu popularyzacji pomp ciepła typu powietrze/woda [1]. Pomimo dynamicznie rosnącej popularności powietrznych pomp ciepła, pompy gruntowe zajmują jednak na polskim rynku czołową pozycję w tym segmencie źródeł ciepła.
Dlaczego pompy ciepła typu solanka/woda?
Z jakich powodów klienci decydują się na wybór pompy ciepła typu solanka/woda?
Czy jednakowe są przyczyny wyboru pompy ciepła typu powietrze/woda?
Odpowiedzi na te pytanie udziela analiza inwestycji dla 39 pomp ciepła gruntowych i 33 powietrznych przeprowadzona na rynku niemieckim przez ISE Fraunhofer i e-on Energie [2].
Najważniejsze 3 powody wyboru gruntowej pompy ciepła to: niższe koszty eksploatacyjne, efektywność pompy ciepła oraz poszanowanie środowiska naturalnego (rys.2.).
Ciekawe jest porównanie powodów wyboru pompy ciepła typu solanka/woda i powietrze/woda. Jak wskazano, obniżenie kosztów ogrzewania było powodem (głównym, częściowym lub mniej istotnym) wyboru gruntowej pompy ciepła łącznie dla 87% klientów, a pompy typu powietrze/woda dla 64%. Poszanowanie środowiska było istotne dla 86% klientów wybierających pompę ciepła solanka/woda i 70% w przypadku pomp ciepła powietrze/woda. Jednocześnie w przypadku powietrznych pomp ciepła niższe koszty montażu oraz koszty inwestycyjne były ważne dla 45% klientów, podczas gdy w przypadku pomp gruntowych wielokrotnie mniej (rys.2.).
Trendy rynkowe w konstrukcjach pomp ciepła solanka/woda
W ostatnich latach rozwój technologiczny pomp ciepła typu solanka/woda przebiegał w kierunku wzrostu efektywności ich pracy oraz funkcjonalności po stronie montażu i użytkowania. Wśród widocznych zmian technicznych jakie następują w ostatnich latach można wymienić m.in.:
• Kompaktowa budowa. Standardem szczególnie dla nowych budynków stają się kompaktowe urządzenia grzewcze (rys.3.). Podobna sytuacja występuje dla pomp ciepła solanka/woda, które dzięki umieszczeniu w jednej obudowie wszystkich komponentów włącznie z zasobnikiem wody użytkowej, wymagają często powierzchni nie większej niż 0,5 m2 dla zabudowy w pomieszczeniu. Zaletą dla wykonawcy jest ułatwienie i skrócenie czasu trwania prac montażowych, a dla użytkownika oszczędność miejsca, a także pewność, że elementy systemu są właściwie dobrane. Dotyczy to szczególnie podgrzewacza wody użytkowej o odpowiednio dobranej wielkości powierzchni wymiany ciepła (wężownica, wymiennik ciepła lub płaszcz grzewczy).
• Niższe moce grzewcze. Pompy ciepła są dostosowywane do niższych potrzeb cieplnych coraz bardziej energooszczędnych budynków. Średnia moc grzewcza gruntowej pompy ciepła w roku 1990 wynosiła 15 kW, w 2000 roku 13 kW, a w 2008 już tylko 10 kW [3]. Obecnie zdecydowana większość producentów oferuje gruntowe pompy ciepła już od mocy grzewczej rzędu 4÷6 kW (B0/W35).
• Regulacja mocy grzewczej. O ile w pompach ciepła powietrze/woda zastosowanie płynnej regulacji mocy grzewczej jest już obecnie niemal standardem rynkowym, to w gruntowych pompach ciepła jest stosowane sporadycznie. Sprężarki inwerterowe pojawiają się w nielicznych gruntowych pompach ciepła, częściej spotkać wariant dwóch sprężarek „on-off” w urządzeniach o mocy grzewczej powyżej 20 kW. Mała popularność zastosowania sprężarek inwerterowych w gruntowych pompach ciepła wynika ze znacznie bardziej stabilnych warunków pracy w porównaniu do pomp ciepła typu powietrze/woda.
• Obieg chłodniczy. W tym zakresie również należy przyznać, że występuje znacznie mniejsza ilość zmian technicznych niż w przypadku pomp ciepła typu powietrze/woda. Stabilne warunki pracy gruntowych pomp ciepła sprawiają, że najczęściej obieg chłodniczy wykonany jest „standardowo”. Oferowane są jednak gruntowe pompy ciepła, których obieg chłodniczy wyposażony jest w takie elementy jak przegrzewacz, czy też elektroniczny zawór rozprężny sterowany odrębnym modułem przy zastosowaniu pomiaru ciśnienia przed sprężarką (a nie standardowo – temperatury). Pompy ciepła tego typu cechują się jednak wyższą ceną zakupu – przeciętnie o 15÷20%. Wyższy koszt zakupu może być jednak opłacalny, gdyż efektywność COP w tych samych warunkach pracy może być wyższa nawet o więcej niż 10% w porównaniu do „standardowej” pompy ciepła.
• Sterowanie. Przede wszystkim regulatory pomp ciepła zwiększają funkcjonalność dla użytkownika i wykonawcy oraz możliwości współpracy z innymi źródłami ciepła w tzw. układach hybrydowych. Możliwe staje się definiowanie kosztów wytworzenia ciepła dla wyboru pracy źródła ciepła, chociaż znowu dotyczy to w większym stopniu pomp ciepła typu powietrze/woda. Gruntowe pompy ciepła stosowane najczęściej w nowych budynkach dedykowane są do samodzielnej pracy w trybie monowalentnym lub ewentualnie monoenergetycznym wspomaganym podgrzewaczem elektrycznym.
• Wysokoefektywne pompy obiegowe. Ich zastosowanie staje się standardem zgodnie z wymaganiami dyrektywy ErP o minimalnej efektywności urządzeń elektrycznych. Potencjał obniżenia zużycia energii elektrycznej przez pompę ciepła jest tutaj znaczny. Zastosowanie wysokoefektywnej pompy obiegu solanki może zmniejszyć 3-krotnie maksymalny pobór mocy elektrycznej, a pompy obiegu grzewczego nawet 6-krotnie. Łącznie w domu jednorodzinnym można zmniejszyć roczne zużycie energii elektrycznej o około 600÷700 kWh [4], czyli nawet o 400 zł rocznie.
• Smart Grid. Stopniowo wdrażana opcja szczególnie w pompach ciepła przeznaczonych na rynki Europy Zachodniej, gdzie wprowadzane jest inteligentne sterowanie pracą urządzeń elektrycznych. Praca pompy ciepła może być wymuszana lub blokowana zdalnie przez zakład energetyczny w zależności od bilansu energetycznego sieci przesyłowej, czy też dla skorzystania z obniżonej taryfy zakupu energii elektrycznej.
Wzrost efektywności COP gruntowych pomp ciepła w ostatnich 20 latach
Efektywność COP nowych pomp ciepła systematycznie się podwyższa. O ile jeszcze w 2000 roku wartość COP dla gruntowych pomp ciepła wynosiła 4,36 (Rys.4.), to w 2013 roku już 4,82 (wg „starej” normy EN 255). Wzrost efektywności wyniósł więc ponad 10%. Jednocześnie widoczna jest różnica efektywności COP określanej według „starej” i aktualnej normy EN 14511. Uwzględnienie w bilansie energii elektrycznej pomocniczej (w tym dla zasilania sterownika i pompy obiegowej w części stanowiącej opór hydrauliczny skraplacza), spowodowało „spadek” efektywności COP o 5 do 8% określanej zgodnie z aktualną normą EN 14511. Dlatego jeszcze raz warto podkreślić znaczenie właściwego dokonywania porównań parametrów pomp ciepła – w jednakowych punktach pracy i przy aktualnie obowiązującej normie EN 14511 [5].
Pompy ciepła solanka/woda badane w 2013 roku w laboratorium WPZ w Szwajcarii uzyskiwały wartość COP średnio na poziomie 4,54 (Rys.4.). Identyczną średnią wartość uzyskano w porównaniu 761 pomp ciepła zamieszczonych na liście BAFA w 12.2014 [7]. Blisko połowa gruntowych pomp ciepła uzyskuje wyższą od 4,54 wartość COP, sięgającą nawet wartości 5,10. Minimalna efektywność COP dla pomp ciepła solanka/woda wynosi 4,30 (dla B0/W35) zgodnie z wymaganiami decyzji 2007/742/WE Komisji Europejskiej w sprawie wymagań ecoprojektu.
Koszty inwestycyjne gruntowych pomp ciepła …kontra pompy powietrzne
Koszt zakupu samej pompy ciepła typu solanka/woda jest przeciętnie niższy o 20÷40% w porównaniu do powietrznej pompy ciepła (wg cen katalogowych producentów). Jednak koszty związane z wykonaniem dolnego źródła ciepła sprawiają, że całkowity koszt inwestycji dla gruntowej pompy ciepła będzie wyższy o około 20÷30% w porównaniu do wariantu z pompą ciepła powietrze/woda. Rzeczywiste różnice w kosztach inwestycyjnych są zależne od szeregu czynników związanych z warunkami zabudowy pompy ciepła, zakresu prac montażowych oraz warunków wykonania dolnego źródła ciepła.
Sezonowa efektywność pracy pomp ciepła
Najczęściej ocenianym parametrem pomp ciepła jest wartość COP, która w sposób jednoznaczny opisuje efektywność pompy ciepła i pozwala porównywać między sobą różne urządzenia. Nie jest to jednak wartość przydatna do szacowania całorocznych kosztów eksploatacji. Można je szacować na podstawie znajomości współczynnika SCOP (ang. SPF – Seasonal Performance Factor, niem. JAZ – Jahresarbeitszahl). Wartość tego współczynnika ujmuje przede wszystkim różne warunki temperaturowe pracy pompy (klimat, system grzewczy) oraz wpływ trybu podgrzewania wody użytkowej, czy też współpracy z układem chłodzenia pasywnego, instalacją solarną, itp.
Średnia efektywność SCOP gruntowych pomp ciepła w realnych warunkach pracy wyniosła 4,04, a pomp typu powietrze/woda 3,14 [8].
Wartość SCOP można szacować przy pomocy kalkulatorów (à PORT PC) lub już później w trakcie eksploatacji odczytywać z regulatora pompy ciepła. Istnieje szereg obszernych badań efektywności pomp ciepła w rzeczywistych obiektach.
Chłodzenie pasywne budynku zwiększa efektywność COP pracy pompy ciepła. Według [9] może być to o ok. 8% w okresie letnim i 2÷3% w skali całego roku.
Na uwagę zasługują szczególnie prace prowadzone przez Instytut ISE Fraunhofer [8]. Na podstawie pomiarów prowadzonych w kilku sezonach, określano średnią efektywność SCOP dla gruntowych pomp ciepła. Najwięcej z 47 pomp ciepła pracowało z efektywnością roczną SCOP pomiędzy 3,8, a 4,0 (sezon 2012/2013). Średnia efektywność w każdym sezonie wynosiła nieco ponad 4,0, najniższa nieco ponad 3,0, a najwyższe sięgały blisko 5,0. Maksymalną efektywnością 5,44 cechowała się pompa współpracująca z kolektorem poziomym w układzie bezpośredniego odparowania, ze sprężarką o regulowanej wydajności mocy.
Współpraca z instalacją solarną korzystnie wpływa na warunki regeneracji dolnego źródła ciepła poza sezonem grzewczym i ogranicza mniej efektywną pracę pompy ciepła na podgrzewanie wody użytkowej. Wzrost efektywności SCOP wynosi zazwyczaj od 10 do 15% [8].
Koszty eksploatacji gruntowej pompy ciepła
Koszty eksploatacyjne gruntowej pompy ciepła w nowym budynku można szacować, przyjmując bezpiecznie wartość SCOP na poziomie 4,0. Przy korzystnych warunkach pracy pompy ciepła (w szczególności ogrzewanie podłogowe, sondy gruntowe) można przyjąć wyższą wartość na poziomie 4,5. W nowych budynkach niskoenergetycznych o standardzie NF40, gdzie zapotrzebowanie ciepła na cele grzewcze wynosi 40 kWh/m2rok koszty eksploatacji gruntowej pompy ciepła nie powinny przekroczyć 6÷7 zł/m2rok (SCOP = 4,0, energia elektryczna 0,60 zł/kWh). Należy dodatkowo uwzględnić koszty podgrzewania wody użytkowej – zazwyczaj udział energii zużywanej przez pompę ciepła na te potrzeby stanowi przeciętnie 20% całości energii elektrycznej [8]. Dla budynku o powierzchni rzędu 200 m2, całkowite koszty eksploatacji pompy ciepła mogą wówczas wynieść od 1500 do 1800 zł/rok. Jest to jednak jeszcze zależne od rzeczywistego zużycia wody użytkowej oraz oczekiwań komfortu cieplnego, czego przykładem może być bilans energetyczny domu (rys. 5.)
Gruntowe pompy ciepła – jakość i gwarancje
Dzięki większej stabilności warunków eksploatacyjnych, gruntowe pompy ciepła stwarzają producentom korzystniejsze warunki dla udzielania wydłużonych okresów ochrony gwarancyjnej. Coraz częściej sięgają one 5 lat z zastrzeżeniem jednak konieczności wykonywania systematycznych przeglądów serwisowych. Z drugiej jednak strony w porównaniu do pomp typu powietrze/woda, występuje większe ryzyko popełnienia błędów doboru i wykonawstwa po stronie dolnego źródła ciepła. Należy więc przestrzegać wytycznych i zaleceń producentów w tym zakresie. Trwają starania w Polsce, aby wprowadzony został znak jakości EHPA-QL dla pomp ciepła, który nie tylko określa wymagania techniczne dla samych urządzeń, ale wprowadza także minimalne okresy gwarancji i dostępu do części zamiennych oraz wymagania dla opieki serwisowej.
Literatura:
[1] „Polski rynek pomp ciepła znowu w górę!” PORT PC, 02.2015
[2] „Ersatz von Ölheizkesseln im Wohngebäudebestand durch Wärmepumpen“, ISE Fraunhofer, e-on Energie
[3] „Analyse des deutschen Wärmepumpenmarktes – Bestandsaufnahme und Trends”, GeothermieZentrum Bochum, Hochschule Bochum – Bochum University of Applied Sciences, 2010
[4] “Optimierungen der Wärmepumpe”, effiziente-waermepumpe.ch
[5] “COP dla pomp ciepła – wartości realne i… te „niezwykłe” z prospektów reklamowych”, P.Lachman, InstalReporter 07.2012
[6] “Effizienz von Sole-Wasser-Wärmepumpen” Stefan Bertsch, NTB Hochschule für Technik Buchs
[7] „Ranking gruntowych pomp ciepła”, eko-blog.pl
[8] „„WP Monitor“ Feldmessung von Wärmepumpenanlagen”, ISE Fraunhofer, 2014
[9] „Heizen und Kühlen mit Erdgekoppelten Wärmepumen”, FHNW Schweiz
[10] “Rzeczywiste koszty ogrzewania pompą ciepła domu jednorodzinnego w latach 2012-2014”, eko-blog.pl