Kryzys energetyczny jako punkt zwrotny
Upowszechnienie pomp ciepła w latach 70. XX wieku nie było przypadkiem. To właśnie wtedy świat boleśnie odczuł skutki zamieszania na rynku surowców. Rosnące ceny paliw, ich ograniczona dostępność i napięcia geopolityczne zmusiły wiele państw do szukania nowych sposobów ogrzewania budynków oraz produkcji energii.
Jedną z technologii, po którą zaczęto sięgać na większą skalę, były pompy ciepła. Ich przewaga polegała na tym, że pozwalały wykorzystać energię dostępną w otoczeniu: w gruncie, powietrzu lub wodzie. Dzięki prawom fizyki możliwe stało się przeniesienie tej energii do instalacji grzewczej w domu i przygotowanie ciepłej wody użytkowej przy znacznie mniejszym zużyciu energii elektrycznej niż w przypadku klasycznego ogrzewania oporowego.
W 1976 roku do seryjnej produkcji trafiła pierwsza pompa ciepła Stiebel Eltron. Był to jeden z momentów, które wyznaczyły początek masowego rozwoju tej technologii w Europie.
Od Zurychu do Berlina
Sama koncepcja pompy ciepła jest znacznie starsza niż współczesna transformacja energetyczna. Podobnie jak samochód, radio, żarówka, lodówka czy elektryczność w codziennym użyciu, jej korzenie sięgają XIX wieku. Pierwszym miastem, w którym technologia pomp ciepła upowszechniła się szerzej, był Zurych.
Masowa produkcja rozpoczęła się jednak dopiero w latach 70. XX wieku. Jednym z pierwszych seryjnych producentów był Stiebel Eltron, rodzinna firma założona przez berlińskiego inżyniera i wynalazcę Theodora Stiebla. Przez kolejne dekady przedsiębiorstwo rozwijało technologie związane z ogrzewaniem, wentylacją oraz przygotowaniem ciepłej wody użytkowej.
W 1976 roku firma rozpoczęła seryjną produkcję pomp ciepła od gruntowych modeli WPF 5–WPF 16. Liczby w nazwach oznaczały moc urządzeń. W kolejnych latach ofertę uzupełniły powietrzne pompy ciepła WPL 9–WPL 16.
Jak zmieniły się pompy ciepła przez 50 lat?
Porównanie pomp ciepła sprzed kilku dekad z urządzeniami dostępnymi obecnie pokazuje, jak duży postęp dokonał się w tej technologii. Jedną z najważniejszych zmian jest wyższa efektywność. Współczesne pompy ciepła osiągają COP o około 50 proc. wyższy niż urządzenia sprzed lat.
Zmieniła się również konstrukcja. Dawniej dominowały cięższe materiały, przede wszystkim stal. Obecnie producenci stosują m.in. aluminium i tworzywa sztuczne, dzięki czemu urządzenia są lżejsze, bardziej kompaktowe i łatwiejsze w montażu. Rozwój objął także czynniki chłodnicze, automatykę sterującą oraz sposób modulacji pracy sprężarki.
Jedną z kluczowych innowacji była technologia inwerterowa. Pozwala ona dopasować pracę pompy ciepła do aktualnego zapotrzebowania budynku. Zamiast pracować wyłącznie w trybie włącz-wyłącz, urządzenie może płynnie regulować moc, uzupełniając straty ciepła wtedy, gdy temperatura w instalacji centralnego ogrzewania zaczyna spadać. To wpływa na komfort domowników i koszty użytkowania.
– Jest naturalnym, że na przestrzeni lat technologia ewaluowała. Dość powiedzieć, że nasze pierwsze pompy były typu split, a od lat Stiebel Eltron produkuje jedynie monobloki. Podobnie jak my, wielu europejskich i światowych producentów prowadzi centra badawczo-rozwojowe, w których opracowywane są nowinki usprawniające urządzenia. Jednak bazą niezmiennie pozostają prawa fizyki i wykorzystanie darmowej energii otoczenia – wyjaśnia Rafał Krasowski, ekspert Stiebel Eltron, europejskiego producenta technologii grzewczych i wentylacyjnych.
Jak działa pompa ciepła?
Najprostsze porównanie brzmi: pompa ciepła działa odwrotnie niż lodówka. Lodówka odbiera ciepło z produktów spożywczych i oddaje je na zewnątrz. Pompa ciepła pobiera energię z otoczenia, czyli z gruntu, powietrza lub wody, a następnie przekazuje ją do instalacji grzewczej budynku.
W praktyce oznacza to, że większość energii potrzebnej do ogrzewania domu lub przygotowania ciepłej wody użytkowej pochodzi z naturalnego źródła. Energia elektryczna jest potrzebna głównie do zasilania sprężarki i pozostałych podzespołów urządzenia.
– W praktyce do 85 proc. energii niezbędnej do ogrzania naszego domu czy przygotowania ciepłej wody użytkowe pompy ciepła pozyskują z dostępnej za darmo naturalnej energii ziemi, powietrza lub wody. Pozostałe 15 proc. wymaga napęd sprężarki pompy, której praca związana jest z poborem prądu, za który płacimy operatorowi.To tak, gdybyśmy użytkowali samochód hybrydowy, którego silnik, po zatankowaniu benzyny pozwalającej pokonać dystans 100 km, produkował w czasie jazdy energię elektryczną, która po wyczerpaniu baku umożliwiałaby jazdę jeszcze przez 550 km. Chyba każdy chciałby móc użytkować tak ekonomiczny pojazd, który na dodatek nie kopci – mówi Wioletta Walczak, Inżynier Wsparcia Projektowego w Stiebel Eltron Polska. – Pompy ciepła działają właśnie w ten sposób. Dzięki 100 jednostkom energii, pobieranym, by zasilić ich podzespoły, dostarczają 550 jednostek ciepła ogrzewającego dom. W praktyce informacje o sprawności urządzenia wyraża parametr COP. – dodaje.
COP pompy ciepła jako miara efektywności
Parametr COP pokazuje, ile energii cieplnej urządzenie jest w stanie dostarczyć z jednej jednostki energii elektrycznej. COP na poziomie 4 oznacza, że pompa ciepła wytwarza 4 kWh ciepła z każdej 1 kWh energii elektrycznej pobranej z sieci.
Przy wyborze urządzenia ważne jest jednak nie tylko samo COP podawane w katalogu, ale także warunki, dla których zostało określone. Szczególnie istotna jest efektywność przy ujemnych temperaturach, ponieważ to ona pokazuje, jak pompa ciepła będzie pracować zimą.
Różnice pomiędzy urządzeniami wynikają m.in. z tego, czy zostały zaprojektowane do pracy w chłodnym klimacie. Wysokowydajne europejskie pompy ciepła mogą skutecznie ogrzewać budynki nawet przy temperaturach sięgających około -25 st. C. Dla użytkownika oznacza to stabilną pracę systemu grzewczego także w czasie mrozów.
Zadowolenie użytkowników pomp ciepła w Polsce
Pompy ciepła pracują dziś w milionach budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej na całym świecie. Ich popularność wynika nie tylko z oszczędności, ale również z wygody użytkowania, automatyzacji pracy i braku lokalnej emisji z komina.
Jak pokazują badania satysfakcji użytkowników systemów grzewczych, aż 80 proc. użytkowników pomp ciepła w Polsce jest zadowolonych z ich działania. To najwyższy wynik wśród analizowanych technologii grzewczych.
Dla wielu inwestorów ważne jest również to, że pompa ciepła może współpracować z instalacją fotowoltaiczną. W takim układzie część energii elektrycznej potrzebnej do pracy urządzenia może pochodzić z własnej produkcji, co dodatkowo zwiększa niezależność energetyczną gospodarstwa domowego.
Czynniki chłodnicze i środowisko
Na przestrzeni dziesięcioleci pompy ciepła wykorzystywały różne czynniki chłodnicze. Początkowo były to substancje CFC i HCFC oparte na chlorofluorowęglowodorach. Ze względu na obecność chloru przyczyniały się one do niszczenia warstwy ozonowej, co zwiększało ilość promieniowania UV docierającego do powierzchni Ziemi.
W 1987 roku podpisano Protokół Montrealski, który zapoczątkował wieloletnią transformację rynku czynników chłodniczych. Celem było ograniczanie wpływu tych substancji na środowisko. W kolejnych latach wykorzystywano m.in. CO₂ oznaczany jako R744, amoniak R717, izobutan R600a, syntetyczny R410A, R32, a nawet wodę R718.
Dziś rynek przechodzi kolejną zmianę. W Europie coraz większe znaczenie mają czynniki chłodnicze o niskim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego. Jednym z nich jest R290, czyli propan. To ten sam związek chemiczny, który jest wykorzystywany m.in. w butlach gazowych do gotowania lub dogrzewania pomieszczeń.
R290 ma wskaźnik GWP na poziomie 3. Dla porównania popularny czynnik R32 ma GWP wynoszące 675. Różnica jest więc bardzo duża, a zmiana czynnika chłodniczego ma znaczenie zarówno dla producentów, jak i dla użytkowników oraz środowiska.
Propanowe pompy ciepła i wysokie temperatury zasilania
Nowoczesne pompy ciepła wykorzystujące propan mogą łączyć niski wpływ na środowisko z wysoką efektywnością. Istotną cechą takich urządzeń jest możliwość uzyskania wysokiej temperatury zasilania instalacji grzewczej.
Ma to szczególne znaczenie w modernizowanych budynkach, w których działają tradycyjne grzejniki. W wielu przypadkach oznacza to, że wymiana źródła ciepła nie musi automatycznie wiązać się z kosztowną przebudową całej instalacji centralnego ogrzewania.
– Korzyść dla środowiska idzie w parze z korzyściami dla użytkownika. Efektywność propanowych pomp ciepła pozostaje bardzo wysoka. Dla przykładu COP pomp z serii StiebelEltronhpnext kształtuje się na poziomie około 5. Jednocześnie oferują one wysokie temperatury zasilania do 75 st. C., a tym samym bez problemu mogą współpracować również ze standardowymi grzejnikami. Zatem modernizacja domu nie musi obejmować ich wymiany, a korzyści jaki zapewnia niezwykle ekonomiczny i ekologiczny system grzewczy są dostępne przy mniejszych nakładach – podsumowuje Wioletta Walczak.
Paliwowa powtórka z historii
Historia rozwoju pomp ciepła jest mocno związana z kryzysami energetycznymi. W 1973 roku arabskie kraje należące do OPEC użyły ropy jako narzędzia politycznego, nakładając embargo na część państw wspierających Izrael w wojnie Jom Kippur i ograniczając podaż surowca.
Kolejny szok podażowy nastąpił pod koniec dekady. W 1979 roku rewolucja islamska w Iranie, a następnie wojna iracko-irańska doprowadziły do gwałtownych wzrostów cen ropy, paniki zakupowej i niedoborów paliw. W wielu państwach pojawiły się ograniczenia prędkości pojazdów, dni bez samochodu, programy oszczędzania energii i interwencje na rynku paliw.
Skutki wykraczały daleko poza transport. Kryzys paliwowy przyczynił się do globalnej recesji, spadku produkcji w przemyśle energochłonnym i przyspieszenia dywersyfikacji źródeł energii. W krajach importujących paliwa wzrosło zainteresowanie gazem, energetyką jądrową, efektywnością energetyczną i polityką bezpieczeństwa energetycznego.
Polska gospodarka wobec szoków energetycznych
Polska Rzeczpospolita Ludowa była wówczas członkiem RWPG, a import ropy ze Związku Radzieckiego odbywał się na preferencyjnych zasadach. Nie oznaczało to jednak pełnej odporności na globalne szoki energetyczne.
W latach 1975–1976 ZSRR podniósł ceny w handlu z krajami bloku wschodniego. W połączeniu z innymi problemami gospodarczymi pogłębiało to napięcia w polskiej gospodarce. Szoki energetyczne wzmacniały negatywne impulsy, które przyczyniły się do załamania gospodarczego na przełomie lat 70. i 80.
Dzisiejsza sytuacja przypomina, że bezpieczeństwo energetyczne nie jest pojęciem abstrakcyjnym. Ceny paliw, dostępność surowców, zależność od importu oraz koszty ogrzewania nadal wpływają na budżety gospodarstw domowych i stabilność gospodarki.
Czy pompy ciepła to element niezależności energetycznej?
Współczesny rozwój pomp ciepła wpisuje się w szerszy trend odchodzenia od paliw kopalnych. Dla właścicieli domów oznacza to możliwość ograniczenia zużycia gazu, węgla lub oleju opałowego. Dla państwa i gospodarki oznacza mniejsze uzależnienie od importowanych surowców oraz większą elastyczność systemu energetycznego.
Pompy ciepła nie są jedyną odpowiedzią na wyzwania energetyczne, ale mogą być jednym z najważniejszych urządzeń pozwalających efektywnie wykorzystywać energię z OZE. Szczególnie wtedy, gdy współpracują z fotowoltaiką, modernizowaną siecią elektroenergetyczną i coraz lepiej ocieplonymi budynkami.
– Można powiedzieć, że historia zatoczyła koło. Ponownie mamy do czynienia z sytuacją, która powinna nas skłaniać do stawiania na alternatywne rozwiązania w obszarze energii. A doskonałą alternatywą dla ropy, gazu i innych paliw kopalnych są OZE. Im wyższe ceny na giełdach i pylonach stacji benzynowych tym większa zasadność by po nie sięgać, do ogrzewania domów, transportu i przemysłu. Atom, jak pokazuje przykład Francji, może być dobrym fundamentem energetycznego bezpieczeństwa państwa, jednak uruchomienie pierwszej polskiej elektrowni to perspektywa około 10 lat. Ten okres powinniśmy wykorzystać do wzmacniania naszego potencjału wytwarzania energii zeźródeł odnawialnych i upowszechniania urządzeń pozwalających efektywnie ją konsumować. A takimi są zwłaszcza pompy ciepła – mówi Rafał Krasowski ze StiebelEltron Polska.
50 lat technologii, która znów zyskuje znaczenie
Pół wieku rozwoju pomp ciepła pokazuje, jak technologia zapoczątkowana jako odpowiedź na kryzys paliwowy stała się jednym z filarów nowoczesnego ogrzewania. Zmieniły się konstrukcje urządzeń, materiały, czynniki chłodnicze, automatyka i efektywność pracy. Nie zmieniła się jednak podstawowa zasada: wykorzystanie energii dostępnej w otoczeniu.
To właśnie ta prostota sprawia, że pompy ciepła ponownie znalazły się w centrum zainteresowania. W czasach wysokich cen energii, rosnących wymagań środowiskowych i potrzeby większej niezależności energetycznej mogą być nie tylko sposobem na ogrzewanie domu, ale również częścią długofalowej strategii bezpieczeństwa energetycznego.
Źródło danych o satysfakcji: Badania satysfakcji użytkowników systemów grzewczych, za „Badania w Polsce i Europie: pompy ciepła to najbardziej doceniane źródło ogrzewania” – Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła.
źródło i zdjęcia: Stiebel Eltron