Pompa ciepła jest źródłem ciepła przyszłości, szczególnie dla małych, domowych instalacji. Korzysta z odnawialnych źródeł energii, nie wymaga komina więc i nie emituje lokalnie zanieczyszczeń, jest bezpieczna i łatwa w obsłudze, a energia elektryczna wymagana do jej zasilania może pochodzić z fotowoltaiki.

Jak to działa?

Systemy pracy pompy ciepła

Rodzaje dolnych źródeł ciepła

Pompa ciepła jako urządzenie to węzeł łączący dolne i górne źródło ciepła. Dolne źródło ciepła to miejsca skąd pompa ciepła czerpie energię. Są nimi grunt, woda i powietrze. Górne źródło ciepła to instalacja grzewcza, która to ciepło oddaje do pomieszczeń.

☛ powietrze – zewnętrzne lub pochodzące z wentylacji

☛ woda – powierzchniowa z rzeki lub woda wgłębna ze studni

☛ grunt – energia z gruntu może być przekazana przez kolektor poziomy lub pionowy (odwierty)

Wybór dolnego źródła ciepła jest ważny, ponieważ ma wpływ na wydajność całego systemu grzewczego. Jeśli dolne źródło jest słabo wydajne, to nawet najbardziej efektywne urządzenie nie nadrobi tego niedomagania, bo nie będzie miało skąd czerpać energii.

Współczynnik COP

To współczynnik efektywności energetycznej pompy ciepła. To stosunek mocy wytworzonej do mocy pobranej, czyli efektu do nakładu. Gdy COP = 4 to oznacza, że urządzenie jest w stanie z 1kW prądu, użytego do napędu pompy ciepła (pobranej) uzyskać 4kW energii cieplnej i przekazać do systemu grzewczego. Współczynnik ten zależy od różnicy temperatur między dolnym i górnym źródłem ciepła. Jeśli różnica jest duża COP pompy ciepła jest małe i wydajność takiej pompy niewielka. Dlatego najlepszym systemem ogrzewania z takim źródłem ciepła będzie ogrzewanie podłogowe, potrzebujące niskiej temperatury zasilania. A jaki wpływ na wydajność pompy ciepła będzie miał wybór dolnego źródła ciepła?

Wybór dolnego źródła ciepła

Na decyzję które dolne źródło ciepła wybrać mają wpływ koszty zakupu i późniejsze koszty eksploatacyjne. Koszty inwestycyjne powiększają ewentualne prace ziemne związane z montażem dolnego źródła ciepła. Natomiast decydując się na PC o niższej sprawności będziemy mieli niższe koszty zakupu i niekłopotliwy montaż.

System pompy ciepła to komplet składający się z pompy ciepła oraz instalacji dolnego źródła ciepła. W przypadku pompy ciepła powietrze/woda kupujemy kompletny system i podłączamy do instalacji grzewczej. W przypadku pompy ciepła woda/woda oraz solanka/woda instalację dolnego źródła ciepła budujemy oddzielnie sami i podłączamy do zakupionego urządzenia.

Woda gruntowa

należy zbudować dwie studnie – czerpalną i chłonną, to jakby zasilanie i powrót dolnego źródła ciepła. Z jednej studni pompa ciepła pobiera wodę, z której odbiera energię a do drugiej studni zrzuca wodę, którą wykorzystała.

Woda gruntowa jest bardzo efektywnym dolnym źródłem, jej temperatura jest wysoka (7-12^oC) i na głębokości 8-10m stała i niezależna od wahań temperatury na powierzchni.

Budowa dolnego źródła jako dwóch studni jest droga. Woda powinna mieć odpowiednie parametry (bez substancji, które mogłyby się osadzać i utrudniać wymianę ciepła na parowniku, niedopuszczalne jest użycie wód powierzchniowych oraz zasolonych), a studnia odpowiednią wydajność (2-5m³/h i więcej w zależności od mocy pompy ciepła). Potrzebujemy też odpowiednio dużej działki, żeby zachować wymaganą odległość między studniami (co najmniej 15m). Prawo wodne nakłada ograniczenia na wydajność studni, jeśli ją przekroczymy podchodzi to pod specjalne korzystanie z wód i wymaga uzyskania pozwolenia wodnoprawnego, co stanowi dodatkowy koszt przedsięwzięcia. Budowę takich studni najlepiej zlecić fachowcowi z doświadczeniem w ich budowie pod instalacje pomp ciepła.

Grunt

aby czerpać energię z gruntu trzeba wiedzieć, że różne grunty mają różna pojemność cieplną. Im grunt bardziej wilgotny i spoisty tym bardziej wydajny.

Czerpać ciepło z gruntu można na dwa sposoby:

Kolektorem pionowym

– odwierty o łącznej długości kilkuset metrów, do których wpuszcza się sondę – rurę o kształcie podwójnego U i wypełnioną niezamarzającym roztworem glikolu. Odwierty po wprowadzeniu sond wypełnia się mieszanką betonowo – cementową. Potrzebna odpowiedniej wielkości działka i grunt o dobrej pojemności cieplnej. Koszty odwiertów uzależnione są od warunków lokalnych. Pojedynczy odwiert nie powinien być płytszy niż 15m, ponieważ na tej głębokości temperatura gruntu stabilizuje się na poziomie 10^oC i nie zmienia się przez cały rok, niezależnie od pogody. Z reguły odwierty mają głębokość od 20 do 100m. Pomiędzy dwoma odwiertami należy zachować odległość min. 6m, żeby nie oddziaływały na siebie nawzajem i dla ułatwienia ich późniejszej regeneracji. Średnice rur użytych to DN32PE, przy odwiertach głębszych niż 80m – DN40PE.

Kolektorem poziomym

płaskim lub spiralnym, głębokość ułożenia to 20cm poniżej lokalnej głębokości przemarzania (bezpieczne 1,6m pod powierzchnią terenu), na powierzchni od 1,5 do 5 razy większej niż powierzchnia domu, którą chcemy ogrzać. Potrzebna spora powierzchnia działki i grunt o dobrej pojemności cieplnej. Rury z HDPE o średnicy DN32 lub DN40 układa się w pętle w odległości 0,8-1m. Odstęp powinien być tym większy im dłużej trwa okres mrozów na danym terenie. Jeśli kolektor poziomy układamy w gruncie o małej pojemności cieplnej, np. w piasku, odstępy układania rur powinny być mniejsze, a sumaryczna długość przewodów większa.

Powietrze zewnętrzne

najtańsze i najmniej kłopotliwe rozwiązanie – dolne źródło ciepła jest za ścianą zewnętrzną budynku. Co w zamian – wahania temperatury, a co za tym idzie zmienna sprawność w trakcie sezonu grzewczego. Najmniejszą sprawność uzyskamy wtedy, gdy na dworze będzie najzimniej.

Monoblok

typ pompy ciepła powietrze – woda, w której sprężarka, skraplacz, zawór rozprężny, parownik i wentylator znajdują się w jednej jednostce, są szczelnie zabudowane i hermetyczne. Żeby dostosować swoją moc do aktualnego zapotrzebowania na ciepło dla budynku pompa ciepła typu monoblok skraca czas pracy sprężarki, a zabezpieczeniem minimalnego czasu pracy jest odpowiednia pojemność wodna instalacji c.o., co można uzyskać instalując zbiornik buforowy. Medium grzewcze między jednostką zewnętrzną a wewnętrzną płynie w rurach preizolowanych, które może podłączyć każdy instalator.

Zasada działania pompy ciepła typu monoblok – w jednostce zewnętrznej znajdują się wszystkie elementy pompy ciepła (parownik, sprężarka, skraplacz i zawór rozprężny). Jednostka zewnętrzna i wewnętrzna połączone są przewodami z czynnikiem grzewczym i zabezpieczone są przed zamarznięciem, albo wypełnione są cieczą niezamarzającą, a w budynku zainstalowany jest dodatkowy wymiennik ciepła glikol – woda. Czynnik chłodniczy krążący w jednostce zewnętrznej, przepływając przez parownik odbiera ciepło, co powoduje wzrost jego temperatury, paruje więc i jako gaz o niskim ciśnieniu kierowany jest do sprężarki, która podwyższa jego ciśnienie. Dalej czynnik o wysokiej temperaturze i ciśnieniu oddaje ciepło w skraplaczu i powraca do parownika przez zawór rozprężny. Woda grzewcza w instalacji grzewczej odbiera ciepło ze skraplacza. Pompa obiegowa powoduje przepływ wody grzewczej do instalacji c.o. lub do podgrzewacza cwu.

Zalety pompy ciepła typu monoblok – łatwe w montażu, ponieważ przyjeżdżają do klienta już napełnione czynnikiem chłodniczym w fabryce. Nie potrzebne są hydraulikowi uprawnienia chłodnicze do podłączenia takiej pompy ciepła. Odszranianie parownika następuje bardzo szybko i zużywa niewiele energii, dzięki skierowaniu gorącego czynnika chłodniczego bezpośrednio ze sprężarki do parownika.

Split

typ pompy ciepła powietrze – woda, gdzie parownik, sprężarka, zawór rozprężny i wentylator znajdują się w jednostce zewnętrznej, a skraplacz w jednostce wewnętrznej w budynku. Obie jednostki połączone są przewodami z glikolem. Są wyposażone w inwerter do modulacji mocy pompy ciepła w zależności od zmiennych warunków zapotrzebowania na ciepło dla budynku. Medium chłodnicze płynie w rurach chłodniczych w otulinie, po podłączeniu konieczne jest wykonanie próby ciśnienia i próżni ścieżki gazowej, których typowy instalator nie wykona, trzeba wołać chłodnika. Z uwagi na cykliczny proces odszraniania jednostki zewnętrznej i związane z tym zjawiska, agregatu nie zaleca się wieszać wysoko na elewacji oraz umieszczać w ciągach komunikacyjnych. Do odszraniania używane jest ciepło czynnika oraz grzałka elektryczna.

Zasada działania pompy ciepła typu split – jednostka zewnętrzna podłączona jest do jednostki wewnętrznej przewodami chłodniczymi. Krążący w nich glikol, przepływając przez parownik odbiera ciepło, co powoduje wzrost jego temperatury, paruje więc i jako gaz o niskim ciśnieniu kierowany jest do sprężarki, która podwyższa jego ciśnienie. Dalej czynnik o wysokiej temperaturze i ciśnieniu oddaje ciepło w skraplaczu i powraca do parownika przez zawór rozprężny. Woda grzewcza w instalacji grzewczej odbiera ciepło ze skraplacza, w razie potrzeby dogrzewana jest grzałką elektryczną. Pompa obiegowa  powoduje przepływ wody grzewczej do instalacji c.o. lub do podgrzewacza cwu.

Zalety pompy ciepła typu split – łatwy transport z uwagi na brak czynnika chłodniczego w urządzeniu, brak zagrożenia zamarznięciem przewodów łączących jednostkę zewnętrzną i wewnętrzną. Ma również mniejsze straty ciepła na przesyle z uwagi na to, że skraplacz jest w budynku.

Po co grzałka elektryczna w pompie ciepła? – przy zimie stulecia, czyli bardzo niekorzystnych warunkach atmosferycznych grzałka wspomaga pracę pompy ciepła. Grzałka włączy się również, gdy potrzeba dużo ciepłej wody użytkowej a zasobnik jest wychłodzony. Grzałka służy również do wspomagania procesu odszraniania oblodzonego parownika. Udział pracy grzałki do celów grzewczych nie powinien być większy niż 10% w skali roku. Wtedy uznaje się dobór wielkości pompy ciepła jako optymalny.

Wybór górnego źródła ciepła

Pompy ciepła najbardziej wydajne są wtedy, gdy różnica temperatur między dolnym i górnym źródłem ciepła jest mała. Mają wtedy mało pracy z przenoszeniem ciepła z dołu do góry. Z temperaturą dolnego źródła jest różnie, ale na temperaturę instalacji mamy wpływ. Niskotemperaturowe zasilanie ma ogrzewanie podłogowe (także ścienne płaszczyznowe) i takie ogrzewanie najczęściej wykonuje się w budynkach z pompą ciepła.

Czy pompa ciepła wyklucza zastosowanie grzejników? Nie, ale trzeba pamiętać o tym, że przy niskiej temperaturze zasilania będą one chłodniejsze. Jeśli miałyby oddawać tyle samo ciepła co ogrzewanie podłogowe, musiałyby być duże, nawet dwa razy większe niż grzejniki zasilane temperaturą 70^oC. Pytanie, czy mamy na to miejsce. Ponadto stawiając jednak na ogrzewanie podłogowe mamy dodatkową korzyść – przez rozkład temperatur w pomieszczeniu, od najwyższej temperatury przy podłodze do najniższej przy suficie odczuwamy większy komfort cieplny. A co za tym idzie spokojnie możemy obniżyć temperaturę w pokoju o 1^oC, co da nam realne zyski na kosztach ogrzewania.

Bufor

Zaleca się stosowanie zbiornika buforowego w instalacji z pompą ciepła, ponieważ przedłuża to czas pracy pompy w czasie zmniejszonego zapotrzebowania na ciepło. Dla pomp ciepła powietrze/woda, które potrzebują czasu na odmrożenie parownika, stosowanie zbiornika buforowego jest konieczne. Odmrażanie parownika odbywa się kilkanaście razy dziennie. Więcej o buforach przeczytasz w tym wpisie.

Zapotrzebowanie na ciepło i temperatura zasilania instalacji

Przy nowym budynku projektant policzy i poda w projekcie zapotrzebowanie na ciepło do celów grzewczych. W budynkach istniejących możemy to zapotrzebowanie oszacować na podstawie stanu budynku i okresu, kiedy był budowany, albo na podstawie dotychczasowego zużycia paliwa, którym zasilane jest źródło ciepła; dzieląc zużycie gazu lub oleju przez 250 otrzymamy wynik w kW. Można również obliczyć zapotrzebowanie na ciepło tak jak to robi się dla nowych budynków, przy użyciu norm. Obliczając lub wyznaczając zapotrzebowanie na ciepło warto wziąć pod uwagę szczególne preferencje użytkowników, np. wyższa temperatura w pomieszczeniach.

Zmniejszyć zapotrzebowanie na ciepło można na różne sposoby, docieplając ściany, wymieniając okna, zmniejszając powierzchnię okien, jeśli jest taka możliwość, zachowując optymalną powierzchnię doświetlenia, modernizując instalację wentylacyjną. I warto to zrobić przed zainwestowaniem w pompę ciepła, bo te zabiegi będą miały wpływ nie tylko na rachunki za ogrzewanie. Pozwolą także zainstalować mniejszą PC a co za tym idzie tańszą. Pozwoli to również zmniejszyć temperaturę zasilania instalacji c.o. a to sprawi, że praca pompy ciepła będzie bardziej efektywna. Można będzie również uzyskać ten sam komfort cieplny przy obniżonej temperaturze w pomieszczeniu, ponieważ średnia temperatura ścian ocieplonych jest wyższa.

Dobór pompy ciepła

Ciepło dla podgrzewania wody do celów higienicznych to 0,2kW na osobę przy standardowym zapotrzebowaniu szczytowym 80-100l/osobę. Przy dużych odległościach od PC do najdalej położonych przyborów z ciepłą wodą wykonuje się instalację cyrkulacyjną. Taka instalacja może powodować znaczne zużycie ciepła (ponad dwa razy większe niż instalacja bez cyrkulacji), a to nie jest korzystne, bo zwiększa nam docelową moc grzewczą pompy ciepła. Jeśli nie uda się zrezygnować z instalacji cyrkulacyjnej to pompa cyrkulacyjna powinna być uruchamiana okresowo, tylko w okresach największego zużycia ciepłej wody.

Gdy budynek jest nowy i pompa ciepła ma pracować w trybie monoenergetycznym dobiera się ją w ten sposób, żeby pokrywała zapotrzebowanie na ciepło w 100% przy temperaturze zewnętrznej do -5^oC. Gdy na dworze będzie zimniej włączy się grzałka elektryczna albo alternatywne źródło ciepła i dalej będą pracowały wspólnie. Liczba dni w roku kiedy temperatura spada poniżej -5^oC oscyluje w okolicy 10, co daje udział ok. 2% (w zależności od regionu kraju).
Jeśli mamy budynek modernizowany, albo pompa ciepła ma pracować w trybie biwalentnym (z pomocniczym źródłem ciepła innym niż grzałka) dobiera się ją tak, aby kocioł włączał się przy temperaturze < 4^oC. Jeśli zastanawiamy się nad wyborem między dwiema mocami pompy ciepła lepiej wybrać mniejszą.

W nowych budynkach trzeba pamiętać o tym, że do ich budowy zużywa się dużo wody, która pozostaje związana w użytych materiałach budowlanych. W początkowym okresie eksploatacji takiego domu zapotrzebowanie na ciepło jest większe niż projektowane. Należy to przewidzieć decydując się na pompę ciepła, która przez pierwsze dwa sezony grzewcze może nie pracować optymalnie. Do osuszania budynku korzystać lepiej ze specjalnych urządzeń. Solankowe pompy ciepła ze względu na dłuższy czas pracy sprężarki w takich warunkach mogą nadmiernie wyziębić dolne źródło ciepła i wyłączyć się. Sytuację ratuje dodatkowa grzałka elektryczna, która powinna być załączana przy temperaturach ok. 0^oC tylko w pierwszym sezonie grzewczym.

Co z hałasem?

Pompy ciepła tak jak lodówki mają w środku sprężarkę, która włącza się co jakiś czas i emituje dźwięk na poziomie białego szumu, do którego można przyzwyczaić się, tak jak do szumu lodówki. Gdy zdecydujemy się na PC powietrze/woda na zewnątrz domu zainstalowana będzie jednostka zewnętrzna – wisząca lub stojąca. Zamontowane w niej wentylatory emitują hałas na poziomie 60-70dB. Spotęgujemy ten efekt, jeśli dźwięk ten zostanie odbity od ściany lub innego elementu, znajdującego się w odległości 3-5m od jednostki zewnętrznej. Należy zatem wybrać takie miejsce ustawienia jednostki zewnętrznej, które temu zapobiegnie. W celu wytłumienia hałasu emitowanego przez jednostkę zewnętrzną można ją posadowić na podłożu absorbującym drgania.

Gdzie ustawić pompę ciepła?

Jednostkę zewnętrzną pompy ciepła powietrze/woda należy ustawić tak, żeby możliwa była naturalna wymiana powietrza wokół niej. Jeśli tego nie zapewnimy ochłodzone powietrze zostanie ponownie wykorzystane, co będzie miało wpływ na spadek wydajności pompy ciepła. Do prac konserwacyjnych potrzeba min. 1,2m z każdej strony pompy ciepła.

Pomieszczenie, w którym instaluje się pompę ciepła powinno mieć w podłodze kratkę ściekową odprowadzoną do kanalizacji. Miejsce powinno być zabezpieczone przed mrozem, wentylowane, o umiarkowanej wilgotności, wolne od zanieczyszczeń i agresywnych oparów.

Podłączenie do sieci elektrycznej

W zależności od mocy grzewczej pompy ciepła sprężarka ma moc od 1,5 do 4kW (dla domków jednorodzinnych). Osobnego zasilania wymaga sprężarka, grzałka elektryczna oraz regulator. Te dwie pierwsze są z reguły trójfazowe.

Czy to się opłaca?

Pompa ciepła to urządzenie zaliczane do klasy efektywności A+, A++ i A+++. Wymaga zasilania prądem sprężarki, która jest sercem układu. Na całkowite koszty energii grzewczej, potrzebnej dla budynku składają się koszty energii elektrycznej w 1/4 wysokości oraz koszty energii z otoczenia w 3/4 wysokości. Energia z otoczenia jest darmowa. Na wykresie pokazano koszt wytworzenia 1kWh dla różnych urządzeń grzewczych.

Kotły na paliwa stałe uznawane są za tanie w eksploatacji. Przyjrzyjmy się jak wypadają w porównaniu z pompami ciepła. Kocioł węglowy w szczycie sezonu grzewczego chodzi pełną parą i osiąga sprawność z ulotki reklamowej czyli ok. 70%. Przez resztę roku kocioł taki będzie chodził na pół gwizdka i osiągał sprawność rzędu 40-50%. Pompa ciepła ma odwrotnie. Im cieplej na dworze tym jej sprawność jest większa. Przez większość sezonu grzewczego pompa ciepła pracuje z wysoką wydajnością, a koszt jej pracy jest mniejszy niż koszt pracy kotła węglowego. Nie mówiąc już o korzyściach dla środowiska.