Pompy ciepła w dużych budynkach

Z technologią sprężarkowych pomp ciepła związane są ogromne nadzieje na zmniejszenie emisji CO₂ oraz poprawę jakości powietrza, szczególnie na obszarach silnie zurbanizowanych. W prasie i mediach urządzenia te zazwyczaj opisuje się w samych superlatywach i często przedstawia jako doskonały sposób na transformację energetyczną Polski i Europy. Jednak ostatnia zima pokazała, że „nie wszystko złoto, co się świeci” i ujawniła ograniczenia związane z technologią sprężarkowych pomp ciepła. U wielu użytkowników przełożyło się to na tzw. rachunki grozy. Dlaczego tak się stało i czy stosowanie pomp ciepła jest w ogóle uzasadnione w budynkach użyteczności publicznej?

Co to jest pompa ciepła?

Aby rozważać zasadność stosowania sprężarkowych pomp ciepła w ogrzewnictwie należy najpierw odpowiedzieć na pytanie: czym jest pompa ciepła? To przede wszystkim urządzenie chłodnicze. Oznacza to, że zostało zaprojektowane do wytwarzania chłodu przy jednoczesnym zasileniu sprężarki energią elektryczną. Powstające przy tym ciepło – tzw. odpadowe – było rozpraszane w otoczeniu. Obecnie ciepło to wykorzystuje się do zasilania instalacji centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Z tego względu podstawowymi parametrami eksploatacyjnymi sprężarkowych pomp ciepła są moc grzewcza oraz współczynnik COP.

Współczynnikiem COP określa się stosunek ilości wytwarzanego ciepła do zużywanej energii elektrycznej, co oznacza, że im większa jego wartość, tym więcej ciepła produkowane jest z jednostki energii elektrycznej zużywanej do pracy sprężarki.

Czy tak jest w warunkach rzeczywistych? Generalnie tak, jednakże należy pamiętać, że parametry eksploatacyjne pompy ciepła, ze względu na specyfikę urządzenia, są zmienne i zależą od temperatury dolnego i górnego źródła. W przypadku górnego źródła to temperatura wody, którą zasila się instalację centralnego ogrzewania, dolnego – temperatura gruntu, gdy mówimy o pompach gruntowych lub powietrza atmosferycznego, gdy o powietrznych.

Parametry nominalne pomp ciepła znajdujące się na tabliczce znamionowej są określane w konkretnych warunkach pracy i dotyczą następującej temperatury dolnego i górnego źródła ciepła:

• w przypadku pomp gruntowych przyjmuje się temperaturę dolnego źródła 0°C, a górnego 35°C (B0/W35),
• w odniesieniu do pomp powietrznych odpowiednio: 7°C i 35°C (A7/W35),
  gdzie B to solanka, A – powietrze.

Byłoby dużo prościej, gdyby parametry eksploatacyjne nie zależały od różnicy między temperaturą dolnego i górnego źródła. A niestety zależą. Gdy różnica ta rośnie, co ma miejsce szczególnie zimą, kiedy temperatura otoczenia spada, a wody zasilającej instalację c.o. wzrasta, zmniejsza się wartość mocy grzewczej urządzenia i zwiększa zużycie energii elektrycznej niezbędnej do napędu sprężarki. Szczególnie widoczne jest to w przypadku pomp ciepła typu powietrze-woda, w których dolnym źródłem energii jest powietrze atmosferyczne. Gdy temperatura zewnętrzna spadnie poniżej określonej (zazwyczaj w okolicach temperatury -7°C) podłącza się dodatkowe źródło ciepła, najczęściej grzałkę elektryczną wytwarzającą ciepło w stosunku 1:1. W większości przypadków jest to przyczyna wysokich rachunków za ogrzewanie (w tym czasie budynek de facto jest ogrzewany w 100% energią elektryczną zużywaną przez pompę ciepła i grzałkę).

Koszty eksploatacji

Czy montaż i eksploatacja sprężarkowych pomp ciepła ma uzasadnienie ekonomiczne? Oczywiście tak, pod warunkiem, że weźmie się pod uwagę wszystkie czynniki wpływające na opłacalność inwestycji. Jednym z nich jest obciążenie cieplne budynku wynikające ze strat ciepła powstałych na skutek przenikania i wentylacji. Zanim zdecydujemy się zastąpić istniejące źródło ciepła pompą sprężarkową, należy wykonać audyt energetyczny budynku, sporządzony przez osobę do tego uprawnioną. Ponieważ koszty eksploatacji pompy ciepła rosną wraz ze wzrostem różnicy między temperaturą dolnego a górnego źródła, kolejnym krokiem powinien być audyt instalacji centralnego ogrzewania. Jak łatwo się domyślić, pompę ciepła (jako odbiornik ciepła w instalacji c.o.) najlepiej połączyć z instalacją niskotemperaturową, np. ogrzewaniem podłogowym. W przypadku, gdy są już zamontowane grzejniki ścienne, celem audytu powinno być oszacowanie ich mocy z uwzględnieniem temperatury zasilania instalacji. Jeśli temperatura wody zasilającej grzejniki jest wysoka (co generuje duże koszty eksploatacji), należy rozważyć wymianę urządzeń na modele o większej powierzchni lub na klimakonwektory. Obniży to wartość temperatury wody w instalacji c.o. w stosunku do wymaganej mocy, a tym samym zmniejszy koszty eksploatacji sprężarkowej pompy ciepła.
Ważna jest decyzja dotycząca typu urządzenia i wybór między pompą ciepła pracującą w układzie powietrze-woda a tzw. gruntową. Co jest bardziej opłacalne? Odpowiedź wcale nie jest prosta. Decydując się na powietrzną pompę ciepła, należy liczyć się z niższymi kosztami inwestycyjnymi, natomiast w okresie zimowym koszty eksploatacyjne będą znacznie wyższe niż w przypadku pomp gruntowych.

Wynika to ze znacznie niższej temperatury dolnego źródła (powietrze atmosferyczne) niż w przypadku pomp gruntowych, gdzie dolnym źródłem jest stabilna w ciągu roku temperatura gruntu. W przypadku pomp gruntowych rozkład kosztów będzie zupełnie inny. Ze względu na konieczność wykonania gruntowego wymiennika ciepła (GWC), stanowiącego dolne źródło ciepła, wydatki inwestycyjne będą wyższe, a koszty eksploatacyjne zdecydowanie niższe.
Co wybrać? Jeżeli do dyspozycji jest odpowiedni teren, na którym można zastosować gruntowy wymiennik ciepła, korzystniejszym wyborem będzie pompa gruntowa. Mimo wyższych kosztów inwestycyjnych, są co najmniej dwa przemawiające za tym argumenty: stabilne dolne źródło ciepła oraz zdecydowanie niższy hałas emitowany przez urządzenie. Gdy brak jest miejsca na gruntowy wymiennik, jedynym rozwiązaniem pozostaje pompa typu powietrze-woda.

Czy inwestycja w gruntową pompę ciepła się opłaca?

Zdecydowanie tak, jeżeli weźmiemy pod uwagę i rozważymy wszystkie omówione aspekty. Najlepszym dowodem na potencjał gruntowych sprężarkowych pomp ciepła, stosowanych w budynkach wielorodzinnych oraz użyteczności publicznej, są udane inwestycje. Przyjrzyjmy się kilku wzorcowym realizacjom.

Osiedle Wyzwolenia w Turku

W trzech budynkach wielorodzinnych, o łącznej powierzchni użytkowej 1150 m² i 24 lokalach mieszkalnych, zastosowano ogrzewanie z wykorzystaniem pomp ciepła. W mieszkaniach wykonano niskotemperaturowe odbiorniki ciepła w postaci ogrzewania podłogowego. W każdym budynku zainstalowano pompę ciepła o mocy 11–44 kW. Dolne źródło ciepła stanowiły trzy niezależne wymienniki gruntowe – po jednym do każdego budynku: pierwszy – 11 odwiertów o głębokości 100 m, drugi – 7 odwiertów o głębokości 160 m, trzeci – 6 odwiertów o głębokości 200 m. We wszystkich przypadkach średnia wartość temperatury dolnego źródła wyniosła 11°C.
Eksploatacja urządzenia w minionym okresie grzewczym była potwierdzeniem skuteczności zastosowanego systemu ogrzewania. Zgodnie z dobraną krzywą grzewczą przy temperaturze zewnętrznej wynoszącej -25°C, temperatura wody zasilającej instalację c.o. wynosiła 38°C. Średnioroczna wartość współczynnika COP osiągnęła 3,1, gdy urządzenie pracowało w trybie przygotowania c.w.u. i 5,8 – na potrzeby instalacji c.o. Przełożyło się to na niski średnioroczny koszt ogrzewania – średnio 1,30 zł/m² ogrzewanej powierzchni.

Urząd Gminy w Wartkowicach

Przykładem uzasadnionego zastosowania pomp ciepła w budynkach użyteczności publicznej jest inwestycja zrealizowana w Urzędzie Gminy Wartkowice. W budynku o powierzchni 1500 m² zamontowano sprężarkową pompę ciepła współpracującą z instalacją centralnego ogrzewania. Jako odbiorniki ciepła zastosowano niskotemperaturowe ogrzewanie podłogowe, a dolne źródło – wymiennik gruntowy – po wykonaniu dziewięciu odwiertów, umieszczono na głębokości 90 m. Poprawnie zaprojektowana instalacja c.o., z pompą ciepła i wymiennikiem gruntowym, pozwoliła osiągnąć cel, jakim było stworzenie wydajnego i ekonomicznego systemu grzewczego. Realizacja ta jest potwierdzeniem, że można wdrożyć zaawansowane technologie grzewcze w dużych obiektach publicznych.

Obiekt sportowy w Turku

Innym przykładem udanej realizacji z ogrzewaniem bazującym na sprężarkowej gruntowej pompie ciepła może być obiekt sportowy o powierzchni 1500 m² znajdujący się w Turku. Jako źródło ciepła zastosowano pompę o mocy 14– 59 kW, a dolne źródło ciepła składa się z dziewięciu sond gruntowych o głębokości 200 m każda. Ze względu na specyfikę obiektu pompa ciepła współpracuje z nagrzewnicami powietrznymi.

Ciepłownia geotermalna w Cudzynowicach

Przedstawione inwestycje pokazują skuteczność technologii gruntowych sprężarkowych pomp ciepła, gdzie dolne źródło ciepła zrealizowano na bazie energii czerpanej w postaci zasobów wód geotermalnych. Przykładem jest otwarta w grudniu 2025 r. ciepłownia geotermalna w Cudzynowicach (obok Kazimierzy Wielkiej w woj. świętokrzyskim). Ciepłownia geotermalna bazuje na współpracy sześciu sprężarkowych pomp ciepła, dla których dolnym źródłem ciepła jest woda geotermalna o temperaturze 29°C czerpana z odwiertu o wydajności 300 m³/h i głębokości 750 m znajdującego się na terenie Zespołu Szkół Rolniczych w Cudzynowicach. Szczytowe źródło ciepła stanowią kotły gazowe. Ciepłownia geotermalna zasila niskotemperaturową sieć ciepłowniczą, do której podłączone są okoliczne budynki użyteczności publicznej. W celu zwiększenia wydajności pracy ciepłowni w budynkach wymieniono wysokotemperaturowe grzejniki ścienne na niskotemperaturowe. Po oddaniu ciepła woda geotermalna jest przetaczana do odwiertu chłonnego (zataczana z powrotem do ziemi) w Kazimierzy Wielkiej, oddalonego o ok. 3,5 km.

Podsumowanie

Sprężarkowe gruntowe pompy ciepła mają duży potencjał i warto wykorzystywać je do ogrzewania budynków wielorodzinnych, użyteczności publicznej lub w sieciach ciepłowniczych. Warunkiem jest zapewnienie niskiej temperatury wody zasilającej instalację centralnego ogrzewania. Z tego względu już na etapie projektowym nowych budynków trzeba rozważyć zastosowanie grzejników powierzchniowych (ogrzewanie podłogowe) lub klimakonwektorów. Konieczne jest również prawidłowe zaprojektowanie i wykonanie gruntowego wymiennika ciepła.
W przypadku obiektów istniejących należy przeprowadzić audyt budynku i systemu grzewczego i na podstawie otrzymanych wyników ocenić zasadność zamiany istniejącego źródła ciepła na sprężarkową gruntową pompę ciepła. Może się z tym łączyć konieczność przeprowadzenia termomodernizacji budynku i modernizacji instalacji c.o. w tym zwiększenia powierzchni odbiorników ciepła. Tylko świadome, przemyślane, bazujące na doświadczeniach innych działanie, w tym prawidłowo dobrane urządzenia oraz rzetelnie wykonane instalacje c.o. i c.w.u. gwarantują wymierne zmniejszenie kosztów ogrzewania i osiągnięcie zamierzonej redukcji emisji CO₂ w budynkach.