Retrofit - zastosowanie pomp ciepła w starych domach

Wymiana kotła olejowego lub gazowego na pompę ciepła. Cała instalacja c.o. i c.w.u. pozostaje bez zmian.

Do niedawna branża pomp ciepła koncentrowała się głównie na produkcji i rozwoju pomp przeznaczonych dla nowych budynków.

 

Jednak udział procentowy instalacji pomp ciepła w nowych domach jest już w wielu krajach europejskich bardzo wysoki (w niektórych krajach nawet 30-50%), a liczba budowanych nowych domów utrzymuje się na stałym poziomie, zatem perspektywy rozwoju tego rynku są już bardzo ograniczone. Natomiast rynek dla zastosowań pomp ciepła zamiast kotłów w istniejących już domach jest przeogromny.

Główną przeszkodą dla wymiany kotłów na pompy ciepła jest niedostosowanie pomp ciepła do pracy z instalacją wysokotemperaturową. Standardowe pompy ciepła mogą pracować z instalacjami grzewczymi o niskiej temperaturze wody (zwykle 35°C, a nie więcej niż 55°C), podczas gdy stare kotłowe instalacje c.o. pracują przy temperaturze 70-90°C.

 

Innym istotnym czynnikiem jest słaba izolacja cieplna w starych domach. Dla domów postawionych w technologii sprzed 30 lat potrzeba energii cieplnej na poziomie 200 -300 kWh/m2•rok, zatem dla przykładowego domu o powierzchni 200 m2 trzeba by zainstalować dość potężną pompę ciepła o mocy 20-30 W. Byłoby to działanie nieracjonalne. Najpierw trzeba dom ocieplić i wymienić stare okna, żeby wystarczyła moc pompy ciepła rzędu 8-10 kW.

 

Rozwój zastosowań pomp ciepła w starych budynkach łączy się z coraz szerszym stosowaniem dwóch rozwiązań:

• opracowanie nowej generacji pomp ciepła, przystosowanych do współpracy z instalacją c.o. o wysokiej temperaturze wody, nawet do 75°C. Oczywiście, nie da się przechytrzyć praw termodynamiki i pompy pracujące w takich warunkach osiągają COP zaledwie 2-3;
  

• stosowanie systemu powietrze – powietrze bez instalacji c.o. w budynku.
  

Pompy wysoko­temperaturowe

Modernizację systemu ogrzewania w starym domu można różnie rozumieć. Może to być totalna wymiana całego systemu lub tylko niektórych jego elementów. System ogrzewania pompą ciepła – jak wiadomo – składa się z trzech głównych części: źródła dolnego, źródła górnego i pompy ciepła.

W modernizowanym domu źródłem dolnym prawie zawsze jest powietrze, gdyż trudno sobie wyobrazić rozwiązanie z kolektorem poziomym, dewastujące pielęgnowany od lat ogród. Nie ma też na ogół warunków do odwiertów pod sondy pionowe lub dwie studnie.

(rys. 1) Uproszczony schemat układu kaskadowego z dwoma stopniami

(rys. 2) Schemat działania sprężarkowej pompy ciepła z cyklem EVI

Co do źródła górnego również nie ma swobody decyzji, gdyż najkorzystniejsze z punktu widzenia współpracy z pompą ciepła byłoby niskotemperatuinstalacja c.o.rowe ogrzewanie podłogowe, ale instalacja rur grzewczych w podłogach zamieszkałego budynku byłaby trudna do przeżycia dla domowników. Raczej trzeba pozostawić starą instalację c.o. i wymienić tylko kocioł na pompę ciepła.

Stare instalacje c.o. były projektowane na temperaturę wody 70-90°C. Uzyskanie temperatury wyższej niż 55°C w standardowej pompie ciepła nie jest możliwe. Wprawdzie po dociepleniu starego domu można nieco obniżyć temperaturę pracy instalacji c.o., ale nie bardziej niż do 65°C. Przygotowując się do ekspansji na rynku retrofit wielu producentów pracuje nad specjalnymi rozwiązaniami pomp ciepła, zdolnymi do pracy przy temperaturach 65-75°C. Trudności i ograniczenia wynikają z podstawowych praw fizyki.

W jednym cyklu termodynamicznym nie można osiągnąć dowolnie dużych różnic temperatur między skraplaniem i parowaniem. Trudno jest też znaleźć czynnik krążący w obiegu termodynamicznym, który sprostałby tym parametrom. Najprostszym, ale niestety drogim rozwiązaniem, jest budowa kaskady dwóch cykli termodynamicznych (rys 1).

W istocie, są to dwie pompy ciepła, połączone przez wymiennik ciepła – skraplacz kaskadowy. Cykl dolny podgrzewa czynnik chłodniczy (np. R 404A) do temperatury ok. 50°C, a cykl górny, którego czynnik chłodniczy (np. R 134A) „startuje” z tej dość wysokiej temperatury, jest zdolny do osiągnięcia temperatury 65°C. Bardziej praktyczne, tańsze i skuteczne jest inne rozwiązanie, nazywane systemem z cyklem EVI (Enhanced Vapour Injection) (rys. 2).

Cykl EVI, czyli wspomagające wtryskiwanie pary, polega na tym, że za skraplaczem podłączona jest pętla wspomagająca, w której część sprężonego i skroplonego czynnika pobierana jest przez zawór elektromagnetyczny i po rozprężeniu para pobiera ciepło w dodatkowym wymienniku, po czym jest wtryskiwana do sprężarki.

Ten wspomagający obwód EVI pozwala podnieść temperaturę pracy pompy ciepła nawet do 65-75°C (są też doniesienia o pompach ciepła osiągających 80°C). Skok temperatury od źródła dolnego do górnego osiąga w tym rozwiązaniu ok. 80 K, zatem 65°C można osiągnąć dla pompy powietrze – woda, nawet dla temperatury powietrza -15°C.

System biwalentny

Modernizację starego systemu ogrzewania można też wykonać według zasady „i szelki i pasek”, tj. dołączyć do starego systemu pompę ciepła, nie likwidując kotła. Oba urządzenia grzewcze mogą współpracować, akumulując wytwarzaną energię cieplną w zbiorniku buforowym.

Możliwe są różne strategie korzystania z takiego systemu biwalentnego. Na przykład kocioł jest włączany tylko przy bardzo niskich temperaturach, np. -10°C. Tak niskie temperatury mogą być tylko kilka do kilkunastu dni w roku. W pozostałych okresach pracuje tylko pompa ciepła. Można też pompę ciepła powietrze – woda używać tylko do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, a kocioł do c.o.

System powietrze-powietrze

Rozwiązaniem najmniej ingerującym w starą instalację c.o. jest zastosowanie pompy powietrze – powietrze. Wówczas, nie korzystając ze starej instalacji, rozprowadza się do pomieszczeń ciepłe powietrze otrzymywane z pompy ciepła. Można w tym celu zastosować klimakonwektory lub zgoła rozwiązania typowe dla systemów klimatyzacji. Warto instalować system dwufunkcyjny, który w zimę grzeje, a w lecie chłodzi. Jeśli rację ma laureat tegorocznej pokojowej nagrody Nobla – Al Gore – to za niewiele lat upał w lecie może być w naszym kraju większym utrapieniem niż chłód w zimie.

Podsumowanie

1. Do modernizacji ogrzewania w starych budynkach najbardziej nadają się pompy ciepła powietrze – woda i powietrze – powietrze.

    

2. Jeśli zachowana jest stara instalacja c.o., trzeba zastosować niestandardową pompę ciepła, umożliwiającą osiąganie temperatury wody 65°C.

    

3. Do modernizacji ogrzewania w starym budynku trzeba mieć dobrą, doświadczoną ekipę instalacyjną, gdyż jest to zadanie na ogół bardziej skomplikowane niż budowa instalacji w nowym budynku.

    

4. W Polsce firmy są obecnie mało zainteresowane rynkiem retrofit i słabo przygotowane do działań na tym rynku
   

Retrofit w Niemczech Nowych domów jednorodzinnych buduje się w Niemczech ok. 150 000 rocznie. Nie stwarza to wielkich perspektyw rozwoju branży pomp ciepła, gdyż już teraz rynek „wchłania” ponad 50 000 pomp ciepła rocznie. Wielkie nadzieje wiąże się jednak z rynkiem pomp ciepła instalowanych w starych domach. Jest ich 17,5 miliona, z czego tylko 10-12% ma nowoczesne systemy ogrzewania.  20% domów, mających ponad 25 lat, nadaje się do gruntownej modernizacji ogrzewania, zatem jest to potencjalny rynek dla pomp ciepła (ok. 3,5 mln domów). Pozostałe 70% domów (12,25 mln) też nie dysponuje ogrzewaniem na współczesnym poziomie techniki.