Pompa ciepła i fotowoltaika często traktowane są przez zainteresowanych jako inwestycja alternatywna.

Cel działania tych systemów jest jednak zupełnie inny – pompa ciepła przygotowuje systemowo ciepło i chłód (najczęściej poprzez pośrednie oddanie lub pobranie ciepła w systemach wodnego ogrzewania i chłodzenia płaszczyznowego), natomiast instalacja fotowoltaiczna ma za zadanie wytworzyć energię elektryczną, która może również posłużyć do napędu pompy ciepła.

Coraz częściej instalacje, w skład których wchodzi pompa ciepła i fotowoltaika, są częściowo zsynchronizowane w celu maksymalnego wykorzystania ich możliwości.

Duża część inwestorów zadaje sobie pytanie – dlaczego nie wytworzyć większej ilości energii elektrycznej i bezpośrednio nie ogrzewać domu? Przecież można zamontować większą liczbę paneli fotowoltaicznych i zainwestować w elektryczne ogrzewanie budynku (oczywiście w takiej konfiguracji ogrzewania wykluczone jest również chłodzenie latem tą samą instalacją). Taka inwestycja może mieć sens, ale wyłącznie w budynkach o bardzo małym zapotrzebowaniu na ciepło do ogrzewania (wyłącznie budynki pasywne lub o bardzo małej powierzchni).

Pompa ciepła i fotowoltaika w budynku standardowym

Dlaczego w standardowych budynkach takie rozwiązanie traci sens? Statystycznie rodzina w budynku mieszkalnym zużywa od 2000-4500 kWh energii elektrycznej w ciągu roku na cele bytowe – takie jak oświetlenie i sprzęt RTV/AGD. W nowym budownictwie dla obiektów ok. 150 m2 zapotrzebowanie na cieplną moc szczytową wynosi 6-8 kW, co przekłada się na zapotrzebowanie na energię cieplną do ogrzania budynku najczęściej w zakresie 12000-15000 kWh/rok. Przy założeniu, że chcemy pokryć całość zapotrzebowania na energię cieplną, ogrzewając budynek elektrycznie, inwestor musiałby zainwestować w instalację fotowoltaiczną o mocy min. 14-20 kWp i to przy nierealnym założeniu, że w momencie, kiedy budynek potrzebuje dostarczenia energii cieplnej, mamy odpowiednią moc wytwarzaną w danym momencie przez instalację fotowoltaiczną.

Produkcja energii elektrycznej z systemu fotowoltaicznego związana jest z chwilową mocą promieniowania słonecznego, które w tym przypadku – pod względem miesięcznej ilości uzyskiwanej energii – najniższe jest w miesiącach zimowych. W tym momencie zachodzi potrzeba magazynowania energii elektrycznej, która będzie wykorzystywana w miesiącach zimowych. Ze względów inwestycyjnych w obecnym momencie zakup akumulatorów o pojemności pozwalającej na magazynowanie energii elektrycznej w skali roku byłby nie do zaakceptowania.

Najlepszym rozwiązaniem w polskich warunkach prawnych jest unikalny na europejską skalę system opustów. Inwestor, który jest osobą fizyczną, może podpisać z dostawcą energii elektrycznej umowę na „magazynowanie” energii elektrycznej wyprodukowanej z instalacji PV w sieci elektroenergetycznej. Rozliczenia są wykonywane w okresach półrocznych. Najefektywniej dla użytkownika w systemie opustów traktowane są instalacje do 10 kWp (gwarantowany jest zwrot aż 80% energii włożonej do sieci).

Ilość energii

Pompa ciepła, żeby wyprodukować 12 000-15 000 kWh energii cieplnej w ciągu roku, wymaga dostarczenia tylko ok. 3000-4000 kWh energii elektrycznej (dla obiektów z niskotemperaturowym systemem grzewczym). Sumaryczna ilość energii elektrycznej na cele bytowe i grzewcze wynosi więc 5000-8500 kWh w skali roku. Oczywiście jeśli oczekujemy pełnego pokrycia potrzeb instalacją fotowoltaiczną, musimy przewymiarować system o straty związane z magazynowaniem energii (20% energii zmagazynowanej w sieci nie zostanie nam oddane).

Czy budynki bez kosztów za energię elektryczną są realne?

Praktycznie tak, choć zawsze będziemy zmuszeni do poniesienia przynajmniej opłat stałych. Nawet budynki modernizowane o większych potrzebach energetycznych mają więc możliwość stać się niskokosztowymi w eksploatacji. Nie dziwi więc trend zwiększający sprzedaż systemów łączących pompy ciepła i fotowoltaikę. Jedynym z największych ograniczeń jest koszt inwestycji, który może być jednak niwelowany poprzez coraz popularniejsze programy dotacyjne ograniczające zjawisko zanieczyszczenia powietrza.

Współpraca instalacji – pompa ciepła i fotowoltaika

Jednym z ważniejszych aspektów jest maksymalne chwilowe wykorzystywanie przez pompę ciepła produkcji energii elektrycznej w powiązaniu z komfortem użytkowania budynku. Każda ilość energii oddana do sieci energetycznej wiąże się ze stratą i jeśli chcemy mieć bardziej efektywną instalację, produkowana energia musi być maksymalnie wykorzystywana poprzez bieżące zużycie, które obniży zapotrzebowanie w późniejszym okresie. Z tego powodu możemy w granicach komfortu użytkownika magazynować ciepło, np. w wylewce podłogowej czy w buforach ciepła.

Drugim ważnym elementem współpracy jest możliwość modulacji mocy pomp ciepła w zależności od energii oddawanej w danym momencie do sieci energetycznej. Dotyczy to zwłaszcza urządzeń o mocy zasilania przekraczającej 1 kW. Najczęściej stosowane pompy ciepła do ogrzewania i chłodzenia budynków mają modulowaną moc zasilania od 1 do 3 kW – określając częstotliwość sprężarki (pośrednio przez to moc zasilania urządzenia), możemy efektywnie maksymalizować chwilowe zużycie energii elektrycznej.

Co jeśli inwestor buduje dom i nie może sobie pozwolić na wydanie tak dużych środków jednorazowo na pompę ciepła i instalację PV?

W tym przypadku zawsze lepszym rozwiązaniem będzie najpierw inwestycja w pompę ciepła. Źródło ciepła w budynku jest potrzebne, więc nawet jeśli rozważamy tańsze w zakupie urządzenie innego typu (jak np. kocioł gazowy), pompa ciepła da nam w przyszłości możliwość łatwiejszej rozbudowy domu do budynku bez kosztów (ogrzewania) oraz darmowego chłodzenia poprzez synchronizację w instalacją fotowoltaiki. Zaletą późniejszego montażu PV jest również mniejsza ingerencja w budynek niż wymiana źródła grzewczego.

Przykład instalacji – pompa ciepła i fotowoltaika

Dom zbudowany ok. 15 lat temu w Beskidzie Żywieckim – głównym ogrzewaniem do momentu zainstalowania pompy ciepła był kocioł gazowy. Dom ma ok. 150 m2, ocieplony jest styropianem o grubości 10 cm, okna ma dwuszybowe, ciepło w instalacji rozprowadzane jest częściowo przez ogrzewanie podłogowe, jednak w większości przez grzejniki.

Kilka lat temu inwestor zdecydował się na montaż paneli fotowoltaicznych o całkowitej mocy 10 kWp w przydomowym ogrodzie. Dla zbilansowania energii zmagazynowanej w sieci w ramach opustu dogrzewał pomieszczenia za pomocą elektrycznych grzejników olejowych. Cena ogrzewania gazem nie spadła jednak do satysfakcjonującego poziomu, a jednocześnie uciążliwe stało się włączanie i przemieszczanie masywnych grzejników olejowych.

Po zainstalowaniu pompy ciepła i całorocznej eksploatacji (od lipca do czerwca następnego roku) właściciel budynku musiał dopłacić za 50 kWh energii elektrycznej, tj. ok. 30 zł (należy doliczyć do tego rachunku jeszcze opłaty stałe za utrzymanie łącza elektrycznego do budynku). Według analizy inwestora – jeśli 2-3 ostatnie tygodnie czerwca nie byłyby tak bardzo pochmurne, to bilans roczny z zakładem energetycznym wyszedłby na plus.

Podsumowanie

Pompy ciepła połączone z instalacją fotowoltaiczną to technologia przyszłości. Na ten moment, dzięki możliwości magazynowania energii elektrycznej w sieci energetycznej, system jest kompleksowy. Do pełni zadowolenia na rynku brakuje jeszcze efektywnych w długoterminowej perspektywie akumulatorów przechowujących energię elektryczną na poziomie 2000-5000 kWh – oczywiście w cenach uzasadniających ich użycie.

Jeszcze kilkanaście lat temu wydawało się, że najlepszą formą w budownictwie jest oszczędzanie/ograniczenie wielkości energii potrzebnej do ogrzewania lub chłodzenia budynku – stąd bardzo aktywny stał się trend budowy domów pasywnych. W tym momencie budownictwo jakościowe stawia na współpracę oszczędzania energii w porównaniu do kosztów inwestycji (budynki niskoenergetyczne) z nisko kosztowym wytwarzaniem energii (np. pompy ciepła z fotowoltaiką). Takie budynki są najczęściej tańsze w inwestycji, bardziej komfortowe w użytkowaniu i pozwalają na mniejsze restrykcje przy projektowaniu bryły budynku.

Szymon Piwowarczyk

Fot. główne. Jednostka zewnętrzna pompy ciepła w modernizowanym budynku (źródło: materiały szkoleniowe Hewalex).

Źródło: https://www.instalator.pl/2018/10/pompa-ciepla-i-fotowoltaika-2/