Energia ze słońca wespół z pompą ciepła. To najlepszy system ogrzewania w budownictwie opartym na elektryfikacji

Dlaczego takie decyzje zapadły na szczeblu unijnym i zaczynają być realizowane także w Polsce? Elektryfikacja oparta na dekarbonizacji to kluczowa droga prowadząca do zahamowania ocieplenia klimatu a następnie przywrócenia neutralności klimatycznej. A od zrealizowania tego celu tak naprawdę zależą losy cywilizacji, które właśnie rozstrzygają się teraz – na podstawie działań i zaniechań, które dotyczą nas wszystkich.

Obecnie pompy ciepła są uznawane przez decydentów w Brukseli za najlepszą dostępną technologię ogrzewania i chłodzenia budynków, zaś w połączeniu z fotowoltaiką daje możliwość tworzenia budynków zeroenergetycznych, a nawet plusenergetycznych i wiele krajów postrzega transformację energetyczną w kierunku bezemisyjnych i energooszczędnych technologii OZE, jako szansę na odbudowę gospodarki po kryzysie związanym z pandemią, jednocześnie osiągając efekt realizacji celów klimatycznych.
– Z tych strategii wynika, że do 2030 w UE powinniśmy czterokrotnie zwiększyć rynek pomp ciepła i zainstalować ponad 48 mln pomp ciepła. To oznacza, że musimy stworzyć w Polsce takie mechanizmy wsparcia, które pozwolą na prawidłowy rozwój tej branży, począwszy od systemu szkoleń dla instalatorów, a kończąc na programie wsparcia instalacji OZE w nowo powstających budynkach jednorodzinnych, jak również wielorodzinnych i komercyjnych, a nawet w systemach ciepłowniczych. Nowy cel redukcji emisji do co najmniej 55 proc. to koniec jakichkolwiek mrzonek o przyszłości dla węgla, ale także jasny sygnał do odchodzenia od pozostałych paliw kopalnych, w tym gazu – mówi dr inż. Małgorzata Smuczyńska – Business Unit Manager NIBE w NIBE-BIAWAR Sp. z o.o.

Przy zapewnieniu optymalnych warunków wsparcia sprzedaży i rozwoju technologii, liczba pracujących pomp ciepła zarówno w nowych, jak i w istniejących budynkach jednorodzinnych w Polsce w 2030 roku może przekroczyć 2,08 mln sztuk, w tym około 1,47 mln szt. pomp ciepła dedykowanych do centralnego ogrzewania oraz do centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Program działań w Europie określony mianem Zielonej Gospodarki (Green Deal) ma być nowym „zielonym planem Marshalla”, nawiązując do takiego planu, który po II wojnie światowej postawił zniszczoną kataklizmem wojennym gospodarkę krajów europejskich, przy pomocy wsparcia USA, do normalnego funkcjonowania. Tym razem plan zasilany będzie funduszami europejskimi z nowego budżetu UE na lata 2021-2027.

Już wstępne analizy pokazały, że w dekarbonizacji główną rolę muszą odegrać pompy ciepła. Aby bowiem osiągnąć cele związane z dekarbonizacją całej gospodarki krajów UE w perspektywie 2050 r. na poziomie 95 proc., należy wdrożyć elektryfikację budownictwa na poziomie 63 proc. W przypadku ogrzewnictwa będzie to możliwie jedynie dzięki szerokiemu zastosowaniu pomp ciepła. „Pompy ciepła są jedną z wiodących technologii gotowych na realizację nowej strategii polityki energetycznej związanej z dekarbonizacją – swoistym pionierem pomiędzy obecnie funkcjonującymi systemami energetycznymi a w pełni zdigitalizowanymi systemami energetycznymi przyszłości. Zmiany technologiczne umożliwiają ich zastosowanie w budynkach w znacznie szerszym zakresie niż dekadę temu, jak choćby podczas renowacji. Urządzenia te mogą produkować w pełni zdekarbonizowane ciepło do ogrzewania i chłodzenia budynków oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, są też do wykorzystania w niskotemperaturowych procesach przemysłowych” – wskazuje raport Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC) „Scenariusze elektryfikacji ogrzewania w budynkach jednorodzinnych w Polsce do 2030 roku”.

Dodatkowo na rynek pomp ciepła pozytywnie wpływa szybki spadek kosztów produkcji systemów fotowoltaicznych. Łączne wykorzystanie tych technologii, wraz z systemem wentylacji mechanicznej z rekuperacją, umożliwia budowanie domów plus lub zeroenergetycznych – przy okazji warto przypomnieć o zainicjowanej przez PORT PC akcji społecznej „Dom bez rachunków”, promującej właśnie taką budowę.
Aby przybliżyć aspekt ekonomiczny inwestycji w pompę ciepła, autorzy raportu przedstawili analizę porównawczą nakładów inwestycyjnych dla różnych technologii w powiązaniu z kosztami eksploatacyjnymi na przykładzie typowego budynku jednorodzinnego, zarówno nowo budowanego, jak i istniejącego. W porównaniu z innymi technologiami grzewczymi pompy ciepła są konkurencyjne cenowo w obu przypadkach.

Za elektryfikacją ogrzewania przemawia też obowiązujący od początku 2021 r. w polskim budownictwie nowy standard energetyczny WT2021. Wprowadza on zmiany w przepisach budowlanych, z których najważniejsze są dwa. Po pierwsze wartość rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną (EP) potrzebną do pełnej eksploatacji domu – a więc ogrzewania, oświetlenia, wentylacji czy chłodzenia teraz nie może przekraczać 70 kWh/m2. Po drugie – współczynnik przenikania ciepła (U) nie może przekraczać wartości 0,2 W/m2K dla ścian zewnętrznych, a dla dachów i stropodachów 0,15 W/m2K. Ponadto 0,9 W/m2K w odniesieniu do zwykłych okien i drzwi balkonowych oraz podobnie 0,9 W/m2K w przypadku okien połaciowych.
W efekcie tych zmian, by budynek spełnił te wymagania nie wystarczy już tylko zastosować odpowiednią izolację cieplną, ale należy zastosować odpowiednią technologię. Jak widać na prezentowanym poniżej Wykresie 1, dla tego samego budynku, który spełnia wymogi izolacyjności termicznej i w którym zastosowano różne technologie grzewcze i wentylację grawitacyjną bądź mechaniczną, tylko takie źródła ciepła jak kotły na biomasę i pompy ciepła pozwalają samodzielnie zapewnić spełnienie WT 2021.

Wykres. Wskaźniki EP [kWh/m2a], który osiąga budynek jednorodzinny o pow. 252 m2 dla różnych wariantów instalacji.

– Podczas budowy domu inwestor staje przed trudnymi wyborami. W uproszczeniu, ma do wyboru tak naprawdę trzy opcje. Musi wybrać pomiędzy kotłem na biomasę, pompą ciepła a hybrydową instalacją opartą o kocioł gazowy, wspomagany odnawialnym źródłem energii. Przy wyborze, za pompą ciepła przemawia fakt, że jako jedyna daje inwestorowi możliwość samodzielnego produkowania energii poprzez wykorzystanie instalacji fotowoltaicznej. W przypadku kotła gazowego lub kotła na biomasę, nie ma możliwości samodzielnej produkcji paliwa, co sprawia, że inwestor jest uzależniony od jego dostaw – wyjaśnia Adam Minikowski, Menedżer ds. Odnawialnych Źródeł Energii NIBE.

Na etapie budowy, warto również wziąć pod uwagę instalację pompy ciepła, porównując ją z innymi źródłami ciepła, biorąc pod uwagę niskie koszty eksploatacji oraz możliwości bilansowania z instalacji PV. Oprócz tego zastosowanie pompy ciepła ma szereg innych zalet. Przykładowo, nie ma konieczności budowy infrastruktury towarzyszącej w postaci kominów, czy kotłowni. Dodatkowo, pompa ciepła pozwala na wykorzystanie funkcji chłodzenia, która jest coraz bardziej popularna wśród inwestorów. Wybierając pompę ciepła, inwestor zyskuje ekologiczne źródło odnawialnej energii, niskie koszty przeglądów i praktycznie bezobsługowe urządzenie o długim okresie żywotności. To powoduje, że sumarycznie pompa ciepła moim zdaniem wygrywa z dostępnymi obecnie kotłami – mówi Adam Minikowski.

Inwestujący w instalacje fotowoltaiczne często kierują się chęcią zagwarantowania sobie własnego prądu. Często też osoby decydujące się na pompę ciepła myślą jedynie o rozwiązaniu kwestii ogrzewania budynku. Tymczasem na kwestie energetyczne w budownictwie trzeba patrzeć kompleksowo.

Optymalne rozwiązanie to zaspokojenie wszystkich potrzeb energetycznych domu z wykorzystaniem pompy ciepła. Dzięki temu radykalnie zmniejsza się zapotrzebowanie na ilość paneli fotowoltaicznych. Przypomnijmy, że pompa ciepła potrzebuje około 20 proc. prądu z sieci do pracy sprężarki, a pozostałe 80 proc. to energia odnawialna. Można też tak dobrać ilość paneli fotowoltaicznych, aby pokryć zapotrzebowanie na prąd wszystkich pozostałych urządzeń domowych, a także wygospodarować rezerwę prądu pod przyszłe potrzeby, np. na ładowanie samochodów elektrycznych.
Zamontowana na dachu (lub na gruncie) instalacja fotowoltaiczna pozwala na zbilansowanie rocznego zużycia energii ogrzewania, ciepłej wody, chłodzenia i energii elektrycznej zużywanej w ciągu roku. Warto też przewidzieć dodatkowe miejsce na dachu na instalację fotowoltaiczną przeznaczoną do produkcji energii do samochodu elektrycznego i przeprowadzić okablowanie do przyszłej rozbudowy instalacji. Z kolei zamontowana w budynku pompa ciepła pozwala na efektywne ogrzewanie, przygotowanie ciepłej wody i chłodzenie budynku z efektywnością energetyczną od trzech do pięciu razy większą niż ogrzewanie elektryczne czy elektryczne podgrzewanie ciepłej wody użytkowej. Roczny udział energii zużywanej przez pompę ciepła pochodzącej bezpośrednio z instalacji fotowoltaicznej wynosi ok. 20-30 proc.
Dla inwestujących w takie rozwiązanie ważne są oszczędności, jakie uzyskuje się także na etapie inwestycji. Jest to przede wszystkim brak kosztów inwestycyjnych związanych z budową komina, kotłowni i magazynu opału. Zastosowanie pompy ciepła do ogrzewania budynku sprawia, że są one zbędne. Pompa ciepła może być umieszczona praktycznie w dowolnym pomieszczeniu nie zajmując na podłodze więcej niż 0,5 mkw.

W życiu jak to w życiu – najbezpieczniej jest skorzystać z już sprawdzonych rozwiązań. Oto dowód, że domy bez rachunków już funkcjonują w Polsce – i to nie od dziś i nie od wczoraj.
Właścicielowi nowo budowanego domu jednorodzinnego o powierzchni ok. 250 mkw., położonego w miejscowości Szczecinek (woj. zachodniopomorskie) zależało na bezobsługowym systemie grzewczym, który zapewni pełen komfort i jednocześnie niski koszt eksploatacji budynku w przyszłości. Zdecydował się więc na zastosowanie ekologicznego i wielozadaniowego systemu grzewczego. Wygląda on następująco. Źródłem ciepła jest gruntowa pompa ciepła NIBE F1145 PC, która współpracuje z systemem fotowoltaicznym. W budynku zainstalowany został również system wentylacji mechanicznej z rekuperatorem NIBE ERS 10-500, sterowanym z poziomu pompy ciepła.
Jaki efekt? W roku 2018 instalacja wyprodukowała łącznie 10 800 kWh, podczas gdy całkowite zużycie energii elektrycznej w całym domu wyniosło niecałe 10 000 kWh. Średni miesięczny koszt rachunków za energię wyniósł 20,50 zł, bo ograniczył się wyłącznie do opłaty stałej za przyłącze do sieci.
A tak inwestycja w ekologiczny, bezobsługowy i ekonomiczny system wygląda w szczegółach.
Pompa ciepła – ciepło. W budynku zainstalowano gruntową pompę ciepła NIBE F1145 PC o mocy 10 kW z wbudowaną funkcją chłodzenia pasywnego. Dolnym źródłem pompy ciepła jest kolektor poziomy o długości 500 mb, który odzyskuje ciepło z gruntu za pomocą płynącego w nim niezamarzającego roztworu glikolu, którego średnioroczna temperatura wynosi 3oC. Inwestor zdecydował się na niskotemperaturowy system podłogowy, w którym temperatura wody grzewczej nie przekracza 32oC w sezonie grzewczym. System grzewczy spełnia funkcję ogrzewania budynku, ale także zapewnia produkcję ciepłej wody użytkowej w zbiorniku o pojemności 200 l.
Pompa ciepła – chłód. Dodatkowo pompa ciepła NIBE F1145 PC posiada wbudowany moduł chłodzenia pasywnego, który obniża temperaturę w budynku i zapewnia komfort termiczny w okresie letnim. Chłodzenie pasywne za pomocą gruntowej pompy ciepła jest darmowe, ponieważ pompa ciepła bez użycia sprężarki przekazuje chłód zgromadzony w gruncie bezpośrednio do instalacji podłogowej schładzając pomieszczenia o 5-7oC w stosunku do temperatury panującej na zewnątrz.
Wentylacja. W domu zamontowano także centralę wentylacyjną z odzyskiem ciepła NIBE ERS 10-500, która zapewnia prawidłową wymianę ciepła nawet przy zamkniętych oknach i pozwala na ponowne wykorzystanie energii z powietrza wywiewanego.
Sterowanie smart. Praca całego systemu z pompą ciepła i wentylacją, sterowana jest za pomocą jednego, wielofunkcyjnego sterownika pompy ciepła umieszczonego na pompie ciepła lub zdalnie za pomocą systemu NIBE UPLINK lub strony www.nibeuplink.com.
Prąd – instalacja fotowoltaiczna. Szacowane zużycie energii na potrzeby systemu wynosi 4500 kWh i jest w całości pokryte przez darmową energię wyprodukowaną przez instalację fotowoltaiczną, która składa się z 38 modułów polikrystalicznych o łącznej mocy 9,88 kW. Instalacja fotowoltaiczna typu on-grid przyłączona jest do sieci elektroenergetycznej, w której magazynuje nadwyżkę wyprodukowanej energii, a użytkownik może z zakładem energetycznym rozliczyć bezgotówkowo aż 80% energii zużytej na własne potrzeby w budynku i wyprodukowanej w przydomowej mikroelektrowni.
W roku 2018 instalacja wyprodukowała łącznie 10 800 kWh, podczas gdy całkowite zużycie energii elektrycznej w całym domu wyniosło niecałe 10 000 kWh. Średni miesięczny koszt rachunków za energię wyniósł 20,50 zł (opłaty stałe).

Co ważne, efekt synergii, jaką dla elektryfikacji ogrzewania daje jednoczesne zastosowanie paneli fotowoltaicznych z pompą ciepła, doskonale osiąga się także w budynkach już istniejących – poprzez poddawanie ich termomodernizacji.
Co ważne, instalując pompę ciepła i optymalizując koszty ogrzewania domu czy budynku wielorodzinnego można wykorzystać przynajmniej częściowo istniejącą infrastrukturę.
Jak wyjaśnia Małgorzata Smuczyńska, co do zasady nie należy łączyć pomp ciepła z innymi źródłami energii, ponieważ wszystkie modele pomp ciepła mają wbudowaną grzałkę elektryczną, którą możemy wykorzystać jako szczytowe źródło grzewcze. To czy rzeczywiście ją wykorzystamy zależy od doboru mocy pompy ciepła. W przypadku pomp gruntowych zazwyczaj staramy się je dobierać tak, by w stu procentach pokrywały zapotrzebowanie na ciepło budynku. Natomiast przy pompach powietrznych opłaca się by pompę ciepła dobrać w stu procentach do pewnej temperatury biwalencji, poniżej której będziemy pozwalać, by grzałka elektryczna włączyła się, ponieważ efektywność pompy powietrznej będzie spadała wraz ze spadkiem temperatury powietrza.
– W budynkach istniejących, w których jest już wykonane przyłącze gazu możemy zastosować kocioł gazowy jako szczytowe źródło grzewcze i dobrać pompę ciepła – najczęściej powietrzną – o nieco mniejszej mocy grzewczej. Będzie ona pracowała z wyższą wydajnością w zakresie dodatnich temperatur a kocioł gazowy przejmie rolę ogrzewania w temperaturach ujemnych – wyjaśnia Małgorzata Smuczyńska. – Ciekawym rozwiązaniem jest pompa ciepła NIBE, która może współpracować z systemem fotowoltaicznym i komunikować się z nim. Moduł komunikacyjny pozwala na to, by w momencie gdy jest produkowana zupełnie darmowa energia ze słońca, pompa ciepła może podwyższyć swoją wydajność, podwyższyć temperaturę ciepłej wody użytkowej, dzięki czemu uzyskamy jeszcze większe oszczędności z tytułu jej używania.
Co ważne, inwestorzy nie pozostaną bez wsparcia. Jednym z priorytetów, na których oparty jest nowy budżet Unii Europejskiej, w tym strategia Green Deal (Zielony Ład) jest elektryfikacja budownictwa
By spełnić cele klimatyczne trzeba bowiem wspierać działania służące elektryfikacji budownictwa na wszelkie możliwe sposoby. Zaś ekologiczna strona ogrzewania elektrycznego nie sprowadza się tylko do tego, że energia elektryczna, która posłuży do ogrzewania będzie w stu procentach pochodzić z odnawialnych źródeł i nie będzie generować żadnej emisji. To za mało, chodzi także o to, by używać jej racjonalnie – czyli dla osiągnięcia tego samego efektu kalorycznego zużytkować możliwie jak najmniej prądu, choćby zielonego.

Artykuł powstał przy współpracy z NIBE