Rola pomp ciepła w budynkach o niemal zerowym zużyciu energii

Osiągnięcie założonych celów polityki klimatyczno-energetycznej UE do 2030 roku oraz wymagania Dyrektywy EPBD (2010/31/UE) w sprawie charakterystyki energetycznej budynków przyczyniają się do wzrostu zainteresowania budownictwem energooszczędnym. Dyrektywa EPBD wymaga, by już od początku roku 2019 nowe budynki zajmowane i posiadane przez władze publiczne były obiektami o niemal zerowym zużyciu energii. Od 2021 roku wymagania te mają dotyczyć wszystkich nowych budynków. Nie dziwi więc, że już dziś coraz więcej inwestorów decyduje się na budowę obiektów w tej technologii, skoro wkrótce rozwiązania takie mają stać się standardem. Jedno jest pewne, nowoczesne budownictwo wkracza na nową ścieżkę, w której już w niedalekiej przyszłości dominować będą budynki o niemal zerowym, a nawet zerowym zużyciu energii.

Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC) wyraża nadzieję, że już niedługo również Polska będzie mogła uczestniczyć w programie Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) dotyczącym m.in. kształtowania roli pomp ciepła w budynkach o niemal zerowym zużyciu energii.

Zgodnie z Dyrektywą EPBD „[…] „budynek o niemal zerowym zużyciu energii” oznacza budynek o bardzo wysokiej charakterystyce energetycznej[…]. Niemal zerowa lub bardzo niska ilość wymaganej energii powinna pochodzić w bardzo wysokim stopniu z energii ze źródeł odnawialnych, w tym energii ze źródeł odnawialnych wytwarzanej na miejscu lub w pobliżu […]. Z punktu widzenia sposobów dostarczania do takiego budynku energii ze źródeł odnawialnych do dyspozycji pozostają mikroinstalacje OZE produkujące energię elektryczną oraz te, które dostarczają ciepło. Wszystko wskazuje na to, że pompy ciepła, które większość energii pobierają z otoczenia będą instalacjami OZE odgrywającymi kluczową rolę w budynkach o niemal zerowym zużyciu energii. Efektywność produkcji ciepła w przypadku pomp ciepła jest największa z pośród wszystkich instalacji grzewczych ponieważ ok. ¾ energii pobieranej przez pompę ciepła to energia słoneczna (zmagazynowana w powietrzu, wodzie lub w gruncie) (rys.1).

Rys. 1. Przykładowy bilans energetyczny pompy ciepła (źródło: BWP)

Pompy ciepła ugruntowały swoją pozycję w sektorze budynków nowobudowanych z uwzględnieniem budownictwa energooszczędnego. Co więcej, wciąż są możliwości do dalszego ich rozwoju w zakresie  projektowania i kontroli systemu grzewczego budynku, jak również jego integracji z automatyką budynkową. Dodatkowo, obiekty w których zastosowano pompy ciepła stają się aktywnymi graczami w systemie energetycznym, ponieważ mogą korzystać z nadwyżek energii elektrycznej magazynując ją w postaci ciepła. Ponadto, dzięki pompom ciepła możliwe jest wykorzystanie ciepła niskotemperaturowego pochodzącego ze źródeł odnawialnych (jest to ciepło, którego w zasadzie nie można wykorzystać  w inny sposób).

Pompy ciepła w połączeniu z innymi technologiami bazującymi na odnawialnych źródłach energii i magazynowaniem energii są ważną technologią umożliwiającą zarządzanie komfortem cieplnym budynków o niemal zerowym zużyciu energii. W zrealizowanych do tej pory projektach pilotażowych i demonstracyjnych takich budynków mieszkalnych w Europie, wybór technologii zapewniającej ciepło zwykle pada na pompę ciepła, gdyż jest to jedyne urządzenie, które jednocześnie może odpowiadać za grzanie i chłodzenie obiektu oraz produkcje ciepłej wody użytkowej.  Pompa ciepła lokalnie nie emituje zanieczyszczeń powietrza. Ma to istotne znaczenie zwłaszcza w kontekście problemu wysokiego stężenia zanieczyszczeń pochodzących z konwencjonalnych palenisk (tzw. niska emisja zanieczyszczeń), z którym boryka się większość Polskich miast. Co więcej biorąc pod uwagę koncepcję budynku o niemal zerowym zużyciu energii, w którym do produkcji energii elektrycznej wykorzystane są technologie odnawialnych źródeł energii, instalacja grzewcza z pompą ciepła nie generuje zanieczyszczeń powietrza związanych z produkcją energii elektrycznej. Sektor budownictwa jest jednym z największych konsumentów energii, jest również jednym z czołowych emitentów dwutlenku węgla (emisja  stanowi tu 40% całkowitej emisji CO₂ w Europie). Pompy ciepła to efektywny ekonomicznie sposób redukcji emisji CO₂. Kilka projektów badawczych pokazało, że budynki o niemal zerowym zużyciu energii mogą być neutralne jeśli chodzi o emisję CO₂. Pompa ciepła jako elastyczny konsument energii umożliwia integrację magazynowania energii z innymi technologiami OZE (np. z fotowoltaiką). Dodatkowo pompy ciepła mogą być pomocne w zarządzaniu energią elektryczną w systemach smart grid. Pompy ciepła w budynkach o niemal zerowym zużyciu energii mogą ponadto stać się kluczową technologią w procesie tworzenia trwałych i neutralnych pod względem emisji CO₂ obszarów samodzielnych energetycznie czy spółdzielni energetycznych.

Ze względu na innowacyjność technologii obiektów o niemal zerowym i zerowym zużyciu energii nie istnieje jeszcze ich precyzyjna i jednoznaczna definicja. Dyrektywa EPBD mówi, że Plany krajowe Państw członkowskich powinny zawierać m.in. „[…] szczegółowo stosowaną w praktyce przez dane państwo członkowskie definicję budynków o niemal zerowym zużyciu energii odzwierciedlającą ich krajowe, regionalne lub lokalne warunki i obejmującą liczbowy wskaźnik zużycia energii pierwotnej wyrażony w kWh/m2 na rok [...]”. Aktualne Warunki Techniczne określają maksymalne zużycie energii pierwotnej na kolejnych etapach dążenia budynku do standardu energooszczędnego. Od 1 stycznia 2017 r. budynek jednorodzinny nie będzie mógł zużywać więcej niż 95 kWh/(m2.rok), a od 1 stycznia 2021 r. nie więcej niż 70 kWh/(m2.rok). Wydane przez PORT PC opracowanie „Zastosowanie pomp ciepła w świetle nowych warunków technicznych w 2014, 2017 i 2021 r. oraz programu NF40” dr inż. Piotra Jadwiszczaka z Politechniki Wrocławskiej, jasno wskazuje na konieczność szerokiego zastosowania techniki systemowej w nowych budynkach. Już od 2017 roku stosowanie tradycyjnych technologii grzewczych (np. kotły gazowe czy olejowe) w nowych budynkach, będzie możliwe tylko jeśli będą dodatkowo wspomagane urządzeniami korzystającymi z odnawialnych źródeł energii (np. panele fotowoltaiczne, kolektory słoneczne czy pompy ciepła). Tradycyjne technologie grzewcze w nowych budynkach będą ponadto musiały posiadać wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła.

Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA) w ramach tzw. Aneksu 40 Programu Heat Pump Programme (HPP) prowadzi działania mające na celu ujednolicenie definicji obiektu o niemal zerowym zużyciu energii, co w wielu krajach ułatwi wdrażanie tej technologii. Przedmiotem badań objętych programem IEA HPP jest również integracja technologii pomp ciepła z innymi technologiami bazującymi na odnawialnych źródłach energii oraz systemem jej magazynowania. Kraje objęte Aneksem 40 zajmują się również ulepszeniem technologii, monitorowaniem istniejących instalacji, jak też zagadnieniami związanymi z podłączeniem budynków do sieci energetycznej. Spodziewane wyniki prowadzonych badań to zalecenia techniczne i narzędzia do projektowania i wykonania zoptymalizowanych budynków o niemal zerowym zużyciu energii, technologie prototypowe, wyniki monitoringu obiektów istniejących oraz raport końcowy, wytyczne techniczne wraz z systemem najlepszych praktyk, modeli i metod.

Polska jak dotąd nie uczestniczy w pracach programu IEA HPP. Być może sytuacja ta zmieni się już w niedalekiej przyszłości. Podczas spotkania ExCo IEA HPP, które odbyło się w  dniach 3-5.11.2014 r. przedstawiciel stowarzyszenia PORT PC wygłosił prezentację przedstawiającą aktualną sytuację na polskim rynku pomp ciepła i przedstawił perspektywę rozwoju rynku tych urządzeń w Polsce.  Ministerstwo Gospodarki  wstępnie wyraziło zainteresowanie przystąpieniem do programu badawczego IAE HPP, również przedstawiciele programu wyrazili chęć i zainteresowanie przyjęciem Polski do grona państw pracujących nad rozwojem technologii pomp ciepła na świecie.

Źródło: PORT PC