Pompy ciepła w modernizowanych obiektach

Odkąd pompy ciepła zostały uznane za urządzenia wykorzystujące odnawialne źródła energii, także inwestor instytucjonalny ma szansę skorzystać w przypadku ich zastosowania z dofinansowania działań dotyczących wykorzystania OZE.

Projekty modernizacji istniejących obiektów z zastosowaniem pomp ciepła zaczęły się pojawiać wręcz lawinowo w latach 2012-2013, kiedy można jeszcze było wykorzystać środki unijne z perspektywy finansowania 2007-2013. Korzystały na tym obiekty komercyjne i użyteczności publicznej (np. szkoły). Na przykład w 2014 r. rozpoczęto dwie zupełnie różne inwestycje, które łączy zastosowanie technologii pomp ciepła.

Wykorzystanie kolektora gruntowego poziomego jako dolnego źródła

W uzdrowiskowej miejscowości Wysowa-Zdrój w powiecie gorlickim (woj. małopolskie) pod koniec 2014 r. zakończono termomodernizację Ośrodka Uzdrowiskowego „Biawena”. Zmodernizowana instalacja o łącznej mocy 600 kW zapewnia ogrzewanie 9000 m² oraz produkcję c.w.u. dla budynku. Po termomodernizacji instalacja składa się z 22 pomp ciepła. Są to cztery gruntowe pompy ciepła pracujące w jednej kaskadzie i 18 pomp powietrznych w dwóch kaskadach po dziewięć urządzeń. Jako wspomagające szczytowe źródło ciepła pozostawiono dwa olejowe kotły grzewcze (stosowano ogrzewanie olejowe ze względu na brak dostępu do sieci gazowej) współpracujące z kaskadami pomp ciepła powietrze/woda. Instalację uzupełniają kolektory słoneczne, wspomagające głównie produkcję c.w.u. Do magazynowania c.w.u. przeznaczono cztery zbiorniki o pojemności 500 l każdy.

Fot. 1. Kaskada pomp ciepła w ośrodku „Biawena” w Wysowej-Zdrój (fot. NIBE)

Monoblokowe pompy gruntowe (cztery sztuki w kaskadzie) to urządzenia o mocy 60 kW, dla których dolnym źródłem jest gruntowy wymiennik poziomy o łącznej długości 5000 m z wykorzystaniem ciepła odpadowego ze ścieków sanitarnych. Wysowa leży w strefie bogatej w wody podziemne, co daje techniczną możliwość zastosowania wysoko wydajnych pomp ciepła z wymiennikiem pionowym. Jednak ze względu na występowanie wód mineralnych, stosowanych w uzdrowisku jako wody lecznicze (szczawy wodorowęglanowo-chlorkowo-sodowe w 11 eksploatowanych źródłach), inwestor nie uzyskał zgody na wykonanie odwiertów pionowych. Jako źródło dolne zastosowano więc wymiennik poziomy. Pompy ciepła grunt/woda współpracują także z kolektorami słonecznymi. Pompy te wyposażone są w dwie sprężarki spiralne, co zapewnia lepsze sterowanie wydajnością grzewczą i większe bezpieczeństwo pracy. Wyposażono je także w moduł miękkiego startu oraz czujniki obciążenia. Mogą wytwarzać wodę do celów grzewczych o temperaturze do 65°C. Współczynnik wydajności grzewczej (COP) sięga 4,65 dla parametrów B0/W35 według PN-EN 14511 (temperatura roztworu solanki w wymienniku gruntowym/gruncie to 0°C, a temperatura zasilania 35°C).

Pompy ciepła powietrze/woda (dwie kaskady po dziewięć sztuk) mają po 20 kW mocy grzewczej. Są to rozwiązania, które (według deklaracji inwestora) mogą pracować jako samodzielne urządzenia grzewcze (bez uruchamiania szczytowego źródła ciepła) nawet do -20°C. Za efektywną pracę pomp przy niskiej temperaturze odpowiada m.in. wbudowany system odszraniania gorącym gazem. Sterowanie pracą kaskad i ich współpracą ze źródłem szczytowym odbywa się za pomocą dwóch sterowników.

Koszt całej inwestycji termomodernizacyjnej wyniósł 5 mln zł. Inwestor uzyskał dofinansowanie w wysokości 60% kosztów kwalifikowanych z Małopolskiego Regionalnego Programu Operacyjnego na lata 2007-2013 w ramach działania 7.2 „Poprawa jakości powietrza i zwiększenie wykorzystania odnawialnych źródeł energii”. Dzięki zastosowaniu pomp ciepła energochłonność budynku obniżyła się o blisko 34%.

Fot. 3. Sterowanie i okablowanie maszynowni węzła cieplnego z pompami ciepła

Gazowa absorpcyjna pompa ciepła dla szkoły

Kiedy pompy ciepła w „Biawienie” dopiero rozpoczynały pracę, w oddalonej o 45 km na północny zachód Szkole Podstawowej w Lipnicy Wielkiej (gm. Korzenna) już od kilku tygodni działały gazowe absorpcyjne pompy ciepła. Rok szkolny 2014/2015 był pierwszym, w którym zestaw złożony z gazowych pomp powietrze/woda i kotłów kondensacyjnych (źródło szczytowe) oraz kolektorów słonecznych zastąpił wcześniejszy system oparty na kotłach węglowych. Inaczej niż w Wysowej w przypadku inwestycji w Lipnicy Wielkiej wykorzystano możliwości gazu ziemnego jako paliwa. Zapotrzebowanie na ciepło budynku szkolnego wraz z salą gimnastyczną (całkowita kubatura 8750 m³) wynosi 221,9 kW. Przed kompleksową termomodernizacją budynku, której koszt wyniósł ok. 800 tys. zł, szkoła ogrzewana była kotłem węglowym starego typu. Urządzenie nie tylko nie spełniało wymogów dotyczących emisji spalin, ale było też uciążliwe i drogie w obsłudze – analiza przeprowadzona po modernizacji wykazała, że lwią część wyeliminowanych kosztów stanowiła praca palaczy (ok. 50 tys. zł rocznie), dopiero na drugim miejscu znalazły się obniżone koszty paliwa (różnica ok. 15 tys. zł rocznie na korzyść gazu).

Sercem nowego systemu cieplnego stał się układ czterech grzewczych gazowych absorpcyjnych pomp ciepła powietrze/woda. Urządzenia te – typu monoblok – oparte są na hermetycznie zamkniętym termodynamicznym absorpcyjnym obiegu woda-amoniak (H₂O-NH₃), w którym źródłem dolnym jest powietrze zewnętrzne, a źródłem energii pierwotnej gaz (ziemny lub LPG) spalany w wodoszczelnej komorze spalania (typ C), umożliwiający instalację urządzenia na zewnątrz. Wysoka efektywność energetyczna gazowych pomp ciepła wiąże się nie tylko z pozyskiwaniem energii z powietrza (zadanie to realizuje jednorzędowy wymiennik ciepła złożony ze stalowej wężownicy i aluminiowych lamel), ale też z odzyskiem ciepła ze spalin (stal nierdzewna). Pompy dostarczone zostały w wersji wyciszonej – z wentylatorem osiowym o obniżonej mocy akustycznej i niższym poborze energii elektrycznej. Pompy są też przygotowane do pracy w podwyższonej temperaturze.

Moc grzewcza pojedynczego urządzenia wynosi 41,3 kW, a efektywność energetyczna 152% (dla parametrów A7/W50), co zapewnia klasę energetyczną A+. Do ekonomicznych walorów gazowych pomp ciepła należy też doliczyć wysokie parametry wody grzewczej (do 65°C), dzięki czemu urządzenia te mogą pracować w instalacji wysokotemperaturowej. Miało to znaczenie z punktu widzenia szkoły, ponieważ umożliwiło pozostawienie klasycznej wysokotemperaturowej instalacji grzewczej, która również przeszła modernizację.

Wybór gazowej pompy absorpcyjnej podyktowany został nie tylko względami technicznymi i ekonomicznymi, ale też prawno-organizacyjnymi. Należy tu wskazać przede wszystkim spełnienie wymogów zaostrzonych warunków technicznych (WT 2021). Stało się to możliwe m.in. dzięki wykorzystaniu gazu (a nie energii elektrycznej) jako źródła nieodnawialnej energii pierwotnej (EP) – współczynniki nakładu nieodnawialnej EP w_i wynoszą: dla gazu 1,1, a dla energii elektrycznej 3. Drugim aspektem jest charakter czynnika roboczego – w układzie pracuje mieszanina wodno-amoniakalna, a nie czynnik chłodniczy syntetyczny (F-gaz). Dzięki temu gazowe pompy absorpcyjne nie podlegają zapisom ustawy F-gazowej pod względem kontroli szczelności czy rejestracji urządzeń. Wymagana jest (zgodnie z Prawem budowlanym) regularna kontrola pomp ciepła jako urządzeń grzewczych, która obejmuje czyszczenie palnika i analizę spalin oraz przegląd pompy olejowej i wentylatora.

Pompę dostarczono w wykonaniu zewnętrznym, żeby nie było konieczności wygospodarowania miejsca na pomieszczenie techniczne. Do instalacji zewnętrznej przystosowane są też gazowe kotły kondensacyjne, które pełnią funkcję szczytowego źródła energii zimą oraz współpracują przy produkcji c.w.u. (także z instalacją solarną). Zastosowane urządzenia są kotłami kondensacyjnymi o mocy 34,4 kW każdy i klasie energetycznej A. Urządzenia te powstały z myślą o uzupełnieniu instalacji opartych na pompach ciepła, mają pracować jako źródło szczytowe oraz urządzenie wspomagające produkcję c.w.u., przystosowane także do współpracy z instalacją solarną. W szkole w Lipnicy Wielkiej pracuje kaskada – fabrycznie skonfigurowany zestaw dwóch kotłów z automatyką przeznaczoną do obsługi instalacji solarnej. Instalacja ta wspiera produkcję c.w.u. W dwóch zbiornikach buforowych zapewniane jest wstępne podgrzewanie czynnika roboczego, który następnie trafia do zbiornika buforowego c.o. i zasobnika c.w.u. Czynnik roboczy przepływa w wężownicach, oddają one ciepło do wody instalacyjnej, a zbiorniki (bufor i zasobnik) są dogrzewane przez pompy ciepła i kotły kondensacyjne.

Po pierwszym sezonie zestawiono koszty eksploatacyjne systemów: przed modernizacją w sezonie 2013/14 wyniosły one ok. 98 tys. zł, natomiast w sezonie 2014/15 niecałe 35 tys. zł. Zasadniczym składnikiem kosztów była (wyeliminowana po modernizacji) praca palaczy kotłów węglowych.

Zobacz:

• Ciekawa modernizacja szkoły w Holandii
• Pierwsza w Polsce szkoła z certyfikatem BREEAM i dachem bagiennym
• Eko przedszkole o oryginalnym wyglądzie

Pompy ciepła współpracujące z fotowoltaiką – nowy trend w szkołach

Z punktu widzenia gmin pompy ciepła wciąż stanowią rozwiązanie luksusowe: z jednej strony obniżające koszty utrzymania szkół (zużycie energii stanowi zwykle ok. 30-40% kosztów eksploatacji budynku), a z drugiej kosztowne pod względem inwestycyjnym. Gminy pozyskują zatem dofinansowanie ze środków unijnych, tak jak postąpiła gmina Korzenna ze szkołą w Lipnicy Wielkiej. Standardem są już szkoły, w których praca pomp ciepła (o technologiach zależnych od lokalnych warunków) wspomagana jest przez kotły grzewcze jako źródła szczytowe. Najczęściej są to kotły z istniejących już instalacji (głównie olejowe) lub nowe kotły grzewcze o niskim współczynniku zużycia energii pierwotnej w_i (np. kotły na biomasę/pelety, dla których w_i = 0,2). Najnowszym trendem staje się montowanie na szkolnych dachach paneli fotowoltaicznych (PV), które stają się kolejnym elementem układu pozyskiwania ciepła i energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii.

Fot. 5. Instalacja fotowoltaiczna na dachu przedszkola w Gwiazdowie

W 2015 r. w gminie Sławno w woj. zachodniopomorskim rozpoczął się kilkuetapowy projekt dofinansowany z Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Zachodniopomorskiego na lata 20142020, Oś Priorytetowa II – Gospodarka niskoemisyjna, działanie 2.10 „Zwiększenie wykorzystania odnawialnych źródeł energii”. W ramach wartej 3 mln zł inwestycji (dofinansowanie wyniosło blisko 2,5 mln zł, czyli 85% kosztów) w dziesięciu szkołach, przedszkolach i świetlicach gminy Sławno montowane są panele fotowoltaiczne. W czterech placówkach wykonano lub zaplanowano także montaż pomp ciepła.

Fot. 6. Odwiert pod sondę głębinową (przedszkole w Gwiazdowie)

W części miejscowości istnieje możliwość zastosowania pomp ciepła o najwyższym współczynniku wydajności grzewczej w skali całego sezonu – pomp solanka/woda z pionowymi wymiennikami gruntowymi.

Jako jedna z pierwszych nowe instalacje zyskała Szkoła Podstawowa w Żukowie, w której prace rozpoczęły się pod koniec 2016 r., a zakończyły przed rozpoczęciem roku szkolnego 2017/2018. Byt to projekt ciekawy ze względu na kompleksową przebudowę, w wyniku której miały zostać uzyskane konkretne parametry zużycia energii: roczne jednostkowe zapotrzebowanie energii użytkowej o wartości 14,37 kWh/ m² oraz roczne jednostkowe zapotrzebowanie energii pierwotnej o wartości 76,80 kWh/m².

Fot. 4. Nowoczesna bryła szkoły w Żukowie (fot. ABB)

Do tego celu wykorzystano nie tylko rozwiązania architektoniczne, konstrukcyjne czy wykonawcze, ale też instalacyjne. Budynek wyposażono w wentylację nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła o sprawności ok. 88%. System grzewczy składa się z dwóch pomp ciepła o mocy 52 kW każda, ze źródłem dolnym w formie gruntowego kolektora pionowego, mającego 21 sond na głębokości 100 m. Panele fotowoltaiczne o mocy 10 kWp z zastosowaniem inwerterów zlokalizowano na południowej, wewnętrznej połaci dachowej budynku, dodatkowo do energooszczędności przyczynia się inteligentny system zarządzania oparty na standardzie KNX (możliwa komunikacja między wszystkimi odbiornikami energii elektrycznej w budynku). W systemie sterowania wykorzystano zarówno czujniki obecności (wyposażone w termostaty, co dodatkowo usprawnia kontrolę parametrów w budynku), jak i harmonogram pracy szkoły oraz zegar astronomiczny.

Zobacz: Pompy ciepła w domach energooszczędnych

W 2018 r. rozpoczął pracę zmodernizowany węzeł cieplny w Gwiazdowie. Pracuje tam pompa ciepła o wydajności grzewczej 52 kW, zapewniająca zarówno ogrzewanie, jak i przygotowanie c.w.u. Źródłem dolnym jest gruntowy kolektor pionowy składający się z 11 odwiertów (sond głębinowych) o głębokości 100 m. Źródłem szczytowym jest kocioł gazowy, zachowany z pracującej wcześniej instalacji grzewczej. Produkcja prądu na potrzeby przedszkola wspomagana jest przez instalację fotowoltaiczną o mocy 4,125 kWp.

Wyszukaj produkty z kategorii Ogrzewnictwo i ciepłownictwo >>>

Od 2018 r. także w Szkole Podstawowej w Warszkowie działa nowa instalacja. Składa się z dwóch pomp ciepła o łącznej wydajności grzewczej ok. 77 kW (55,83 i 21,5 kW), przeznaczonych do ogrzewania i produkcji c.w.u. Źródłem dolnym jest woda gruntowa pochodząca z 14 odwiertów na głębokości 100 m. Tamtejsza instalacja fotowoltaiczna ma moc 3,3 kWp. Jako szczytowe i zapasowe źródło ciepła zastosowano pozostawiony z wcześniejszej instalacji kocioł olejowy.

Fot. 7. Pompa ciepła solanka/woda (szkoła w Warszkowie)

W Zespole Szkół w Sławsku wydatkowano na prace modernizacyjne ok. 866 tys. zł, z czego ok. 781 tys. zł stanowiła dotacja. W pierwszej połowie 2019 r. prace zakończono. Przebudowano istniejącą kotłownię olejową, wyjściowo składającą się z dwóch kotłów olejowych o mocy 130 kW każdy – jedno urządzenie pozostawiono jako źródło mocy szczytowej, a drugie jako zapasowe (np. na czas przerwy w pracy pompy ciepła, jej awarii lub konserwacji). Pompa ciepła solanka/woda, oparta na kolektorach pionowych korzystających z wody gruntowej na głębokości 100 m, zapewnia wydajność grzewczą 106,6 kW. Zakończenie wszystkich prac zaplanowano na koniec 2021 r.

Artykuł ukazał się w miesięczniku „Rynek Instalacyjny” nr 4/2020.

Literatura

1. Budowa instalacji pomp ciepła dla Przedszkola Gminnego w Gwiazdowie i Szkoły Podstawowej w Warszkowie, gmina Sławno, wraz z dolnym źródłem ciepła w postaci sond gruntowych (ogłoszenie o przetargu), http://ug.slawno.ibip.pl/public/?id=202601*.
2. Dolecki, Nowoczesna szkoła w nowoczesnym budynku, https://www.abb-conversations.com/pl/2018/03/nowoczesna-szkola-w-inteligentnym-budynku.
3. Energia odnawialna w Ośrodku „Biawena” https://www.uzdrowisko-wysowa.pl/component/content/article?id=167 (dostęp: marzec 2020).

4. GAHP-A, Gazowa absorpcyjna pompa ciepła typu powietrze/woda, https://www.gazuno.pl/ gahp-a-absorpcyjna-pompa-ciepla-typu-wo-da-powietrze.
5. Na budynku szkoły w Sławsku zamontowano panele fotowoltaiczne, https://gk24.pl/na-budynku-szkoly-w-slawsku-zamontowano-panele-fotowoltaiczne-zdjecia/ga/c1-14361809/zd/38066413.
6. Nowoczesne pompy ciepła czerpiące energię z głębi ziemi ogrzewają placówki oświatowe gminy Sławno, http://www.gminaslawno.pl/499-informacja-50040.html.
7. OZE w Sławsku, http://www.gminaslawno. pl/499-informacja-53670.htm.
8. Szkoła Podstawowa w Lipnicy Wielkiej, https://www.gazuno.pl/szkola-podstawowa-w-lipnicy-wielkiej.html.
9. Szkoła Podstawowa w Lipnicy Wielkiej, wypowiedź dyr. M. Wojnarowskiego, https://www.youtube.com/watch?v=YambiRwKcAA.
10. Szkoła Podstawowa w Żukowie, https://architektura.muratorplus.pl/technika/warsztat/szkola-podstawowa-w-zukowie_7705.html.
11. Turakiewicz, Jak zastąpić węgiel? Studium przypadku Szkoły Podstawowej w Lipnicy Wielkiej.
12. Uzdrowisko „Biawena” (Wysowa-Zdrój), https://www.nibe.pl/Referencje/Wysowa-Zdroj.
13. WFOŚ Szczecin, Energia słoneczna będzie zasilać 10 szkół i świetlic w Sławnie, https:// wfos.szczecin.pl/biezace-wydarze- nia/1494-energia-sloneczna-bedzie-zasilac- 10-szkol-i-swietlic-w-slawnie.html.

* Pompa ciepła solanka/woda (szkoła w Warszkowie).

Joanna Ryńska

Zdjęcia 2, 3, 5-7: Gmina Sławno