Pompy ciepła w budynkach wielorodzinnych. Europejskie przykłady dekarbonizacji

Rozwiązania dla budynków wielorodzinnych oparte na pompach ciepła już istnieją. Pytanie nie brzmi więc „czy”, ale „jak” je wdrażać. Przykłady z całej Europy pokazują, że pompy ciepła sprawdzają się zarówno w nowym budownictwie, jak i w istniejącej zabudowie. Gęsta zabudowa, różnorodność budynków, skomplikowane stosunki własnościowe oraz ograniczona przestrzeń na źródła ciepła sprawiają jednak, że dekarbonizacja miast jest wymagającym zadaniem. Większość budynków wielorodzinnych w naszych miastach jest starsza – ponad połowę wybudowano przed 1970 rokiem, a więc na długo przed wprowadzeniem pierwszych standardów energetycznych. Miejska transformacja ciepłownictwa już dziś oferuje jednak wiele przykładów udanych wdrożeń.

Planowanie energetyczne kluczem do transformacji

Reklama

Kluczową rolę w skutecznej transformacji ciepłownictwa w miastach odgrywa gminne planowanie energetyczne. W Polsce tę funkcję pełnią założenia do planu zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe, które na mocy Prawa energetycznego musi opracować każda gmina.

Dają one właścicielom budynków większą pewność co do kierunku rozwoju lokalnej infrastruktury ciepłowniczej i pozwalają koordynować inwestycje różnych podmiotów. Takie plany stanowią podstawę optymalnego wykorzystania dostępnych źródeł ciepła oraz istniejących sieci, a tym samym mogą przyspieszać dekarbonizację miast. W miastach można zasadniczo wyróżnić trzy typy budynków, dla których odpowiednie są różne rozwiązania oparte na pompach ciepła.

Wolnostojące budynki jednorodzinne i ciepło ze ścieków

W przypadku budynków jednorodzinnych bardzo dobrze sprawdzają się zdecentralizowane pompy ciepła. Każdy budynek otrzymuje własną pompę ciepła, dopasowaną do jego specyficznych wymagań.

W Niemczech w 2023 roku sprzedano łącznie 365 tys. pomp ciepła, z czego 85 proc. trafiło do budynków istniejących. To pokazuje, że technologia znajduje zastosowanie także w starszym budownictwie.

W gęsto zabudowanych centrach miast rozwiązania zdecentralizowane często napotykają jednak ograniczenia. Brakuje miejsca na indywidualne jednostki zewnętrzne, sondy gruntowe czy studnie głębinowe. Rozwiązaniem może być ciepło sieciowe oparte na średnich i dużych, centralnych pompach ciepła. Urządzenia te mogą osiągać moc rzędu kilku megawatów i wykorzystywać źródła ciepła niedostępne dla pojedynczych budynków: wodę rzeczną, oczyszczone ścieki z oczyszczalni, ciepło odpadowe z procesów przemysłowych czy głęboką geotermię. Ich zaletą jest to, że jedna dobrze zaprojektowana instalacja może zaopatrywać w ciepło tysiące gospodarstw domowych bez konieczności prowadzenia prac budowlanych w każdym budynku z osobna.

Przykładem takiego rozwiązania jest pompa ciepła w Mannheim w Niemczech o mocy 20 MW, która jako źródło ciepła wykorzystuje wodę z Renu. Dzięki instalacji tysiące gospodarstw domowych otrzymują ciepło, a emisja CO₂ jest ograniczana o około 10 tys. ton rocznie. Woda z Renu jest przy tym schładzana zaledwie o kilka stopni i ponownie odprowadzana do rzeki. Według materiału jest to zamknięty obieg bez negatywnego wpływu na środowisko.

Kolejnym przykładem jest duża pompa ciepła w Stuttgarcie o mocy 7 MW, wykorzystująca jako źródło ciepła oczyszczone ścieki z oczyszczalni. Ścieki mają przez cały rok temperaturę od 10 do 20°C, co czyni je stabilnym i stale dostępnym źródłem ciepła. Instalacja może w przeliczeniu ogrzewać nawet 10 tys. gospodarstw domowych.

Ciepło sieciowe dla gęsto zabudowanych dzielnic

Rozwiązania oparte na cieple sieciowym z dużymi pompami ciepła są szczególnie odpowiednie dla gęsto zabudowanych dzielnic śródmiejskich, gdzie inwestycja w sieć ciepłowniczą jest ekonomicznie uzasadniona, a jednocześnie wykorzystanie indywidualnych rozwiązań dla poszczególnych budynków jest istotnie ograniczone. Umożliwiają one dekarbonizację nawet zabytkowych centrów miast, bez konieczności kosztownych przebudów w każdym pojedynczym budynku objętym ochroną konserwatorską.

Budynki wielorodzinne – ciepło dla połowy Europy

Budynki wielorodzinne stanowią znaczną część miejskiego zasobu budowlanego. W budynkach tego typu mieszka niemal połowa ludności Europy. Ich skuteczna dekarbonizacja ma więc kluczowe znaczenie dla powodzenia miejskiej transformacji ciepłownictwa. Przykłady z całej Europy pokazują, że pompy ciepła w budynkach wielorodzinnych sprawdzają się zarówno w nowym budownictwie, jak i w istniejącej zabudowie. Różnorodność rozwiązań pozwala znaleźć odpowiedź niemal dla każdej sytuacji.

St. Julien w Genewie: pompy ciepła w budynku bez termomodernizacji

Projekt „St. Julien” w Genewie w Szwajcarii pokazuje, że pompy ciepła mogą sprawdzić się także w słabo izolowanych budynkach wielorodzinnych.

Zbudowany w 1972 roku budynek z 53 mieszkaniami i powierzchnią 4049 m² wyposażono w dwie przemysłowe pompy ciepła powietrze–woda o mocy 156 kW każda. Urządzenia zamontowano na dachu, bez zmian w istniejącym systemie rozprowadzania ciepła. W nowym systemie grzewczym wykorzystano istniejące grzejniki. Prace prowadzono wyłącznie na dachu oraz w kotłowni znajdującej się w piwnicy, dzięki czemu mieszkańcy nie musieli opuszczać swoich mieszkań.

Pierwotnie planowany rezerwowy kocioł na olej opałowy okazał się zbędny i został usunięty po dwóch sezonach grzewczych. Najważniejszym wnioskiem z tej inwestycji jest to, że montaż pomp ciepła w budynkach wielorodzinnych może być możliwy i opłacalny nawet bez wcześniejszej termomodernizacji. Decydujące znaczenie mają właściwe zaplanowanie i dobór wielkości instalacji oraz odpowiednia regulacja wszystkich jej komponentów. Ważną rolę odegrała również bliska współpraca wszystkich zaangażowanych podmiotów – od projektantów i architektów, przez właścicieli i inwestorów, po lokalne władze samorządowe.

Fennerstraße w Innsbrucku: mini-pompy ciepła z centralnym zasilaniem

W Innsbrucku w Austrii zastosowano szczególnie innowacyjne rozwiązanie. 48 mieszkań otrzymało hybrydowy system złożony z centralnej pompy ciepła zainstalowanej na dachu oraz indywidualnych mini-pomp ciepła o mocy 3 kW w każdym mieszkaniu.

Centralna pompa rozprowadza energię przy temperaturze zasilania wynoszącej 20°C, natomiast indywidualne urządzenia podnoszą temperaturę odpowiednio do potrzeb ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. System osiąga całkowitą sezonową efektywność SCOP na poziomie 4,0 i jest niezwykle cichy – podczas pracy generuje 38 dB. Niska temperatura dystrybucji istotnie zmniejsza straty ciepła podczas cyrkulacji wody grzewczej w budynku. Istotną zaletą tego rozwiązania jest również ograniczenie uciążliwości prac. Instalację można wykonać bez konieczności wyprowadzki mieszkańców, a mini-pompy ciepła współpracują bezpośrednio z istniejącymi grzejnikami.

Chadwell St Mary: indywidualne pompy ciepła ze wspólnym źródłem

W trzech wieżowcach w Chadwell St Mary w Wielkiej Brytanii, mieszczących łącznie 273 mieszkania, zrealizowano w pełni zdecentralizowany system ze wspólnym źródłem ciepła.

Każdy lokal otrzymał własną kompaktową pompę ciepła o mocy od 3 do 6 kW, podłączoną do wspólnego pola sond gruntowych. Sondy przekazują temperaturę otoczenia w zakresie od -5 do 20°C do wspólnego obiegu, z którego każda pompa pobiera energię indywidualnie. System osiąga współczynnik efektywności COP na poziomie 3,8 i obniża koszty energii o 40–50 proc. Prognozowana redukcja emisji CO₂ wynosi ponad 70 proc. Jest to przykład tzw. Fifth Generation District Heating, czyli sieci ciepłowniczej piątej generacji. Rozwiązanie umożliwia ponadto wykorzystanie ciepła odpadowego oraz bezpłatnego chłodzenia pasywnego.

Systematyka zamiast pojedynczych przypadków

Przedstawione przykłady pokazują bardzo różne podejścia. Zróżnicowanie budynków wielorodzinnych i warunków, w jakich funkcjonują, sprawia, że konieczne jest oferowanie różnych rozwiązań.

Można je podzielić na pięć głównych kategorii według stopnia centralizacji systemu pomp ciepła: od w pełni centralnych systemów obsługujących cały budynek, przez rozwiązania łączone, aż po indywidualne rozwiązania dla każdego mieszkania, a nawet pojedynczych pomieszczeń.

Zakres ten obejmuje zarówno pojedynczą centralną pompę ciepła zaopatrującą cały budynek, jak w projekcie St. Julien, hybrydowe systemy centralno-zdecentralizowane, jak w Innsbrucku, po w pełni zdecentralizowane koncepcje z indywidualnymi pompami ciepła w każdym mieszkaniu, jak w Chadwell St Mary.

Każda z tych kategorii ma swoje zalety i wady. Systemy scentralizowane są zwykle łatwiejsze w utrzymaniu i pozwalają wykorzystać większe, bardziej efektywne pompy ciepła, ale wiążą się z wyższymi stratami dystrybucji. Systemy zdecentralizowane minimalizują straty dystrybucji i umożliwiają indywidualną kontrolę, wymagają jednak większej liczby urządzeń i mogą, w przypadku powietrznych pomp ciepła, prowadzić do problemów z hałasem. Wybór właściwego rozwiązania zależy od wielu czynników: wielkości budynku, jego standardu energetycznego, dostępnych źródeł ciepła, stosunków własnościowych oraz budżetu.

Rozwiązania modułowe przyspieszają inwestycje

W przypadku rozwiązań centralnych coraz częściej oferowane są przez wielu dostawców rozwiązania kontenerowe. Te prefabrykowane, modułowe jednostki zawierają kompletny pod względem technicznym zestaw: pompę ciepła wraz ze sterowaniem i innymi elementami niezbędnymi do działania systemu grzewczego, takimi jak pompy obiegowe czy zawory.

Można je dzięki temu zainstalować szybko oraz przy niewielkim nakładzie prac budowlanych. Kontenery chronią urządzenia przed warunkami atmosferycznymi i skracają czas montażu na miejscu, a łączenie kolejnych modułów pozwala elastycznie zwiększać moc grzewczą całej instalacji.

Różne drogi do dekarbonizacji

Europejskie przykłady pokazują, że pompy ciepła mogą być wykorzystywane w bardzo różnych modelach miejskiego ciepłownictwa – od indywidualnych instalacji w budynkach, przez systemy hybrydowe, po duże źródła centralne współpracujące z siecią ciepłowniczą.

Nie ma jednego rozwiązania odpowiedniego dla wszystkich budynków. O wyborze technologii powinny decydować m.in. charakterystyka budynku, dostępne źródła ciepła, możliwości techniczne, uwarunkowania własnościowe oraz budżet.

Odpowiednie planowanie energetyczne i właściwy dobór technologii mogą pozwolić na wykorzystanie lokalnie dostępnych źródeł ciepła, ograniczenie emisji oraz modernizację systemów grzewczych bez konieczności prowadzenia uciążliwych prac w każdym budynku czy mieszkaniu. To pokazuje, że pompy ciepła mogą być jednym z istotnych elementów transformacji miejskiego ciepłownictwa – zarówno w nowych inwestycjach, jak i w istniejącej zabudowie.

Źródło: Pompuj ciepło z głową