| muratordom.pl » Instalacje » Kolektory, pompy ciepła » Pompa ciepła - zasada działania i koszty ogrzewania pompą

Pompa ciepła - zasada działania i koszty ogrzewania pompą

Pompa ciepła to urządzenie, które ma zapewnić niskie koszty ogrzewania. Pompy odbierają ciepło z otoczenia – gruntu, wody lub powietrza – i dostarczają je do instalacji c.o. i c.w.u., ogrzewając wodę, albo do instalacji wentylacyjnej, ogrzewając powietrze nawiewane do pomieszczeń. Dla użytkowników najważniejszą zaletą pomp są niskie koszty eksploatacji – jeśli wydamy więcej na inwestycję, oszczędzimy na wydatkach za ogrzewanie.

Rodzaje pomp ciepła

Te najczęściej stosowane do ogrzewania domów można sklasyfikować w zależności od sposobu pozyskiwania ciepła i przekazywania go do pomieszczeń na urządzenia typu:

  • solanka/woda – odbierają ciepło z gruntu za pomocą wymiennika gruntowego, w którym krąży trudno zamarzający roztwór glikolu (nazywany solanką), pośredniczący w wymianie ciepła między gruntem a czynnikiem roboczym pompy. Ciepło ze skraplacza ogrzewa wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania;
  • bezpośrednie parowanie/woda – gruntowy wymiennik ciepła jest jednocześnie parownikiem pompy, a więc w ułożonych w ziemi rurach krąży czynnik roboczy, który w nich odparowuje. Dzięki wyeliminowaniu roztworu glikolu i dodatkowego wymiennika pośredniczącego w wymianie ciepła uzyskuje się większą sprawność systemu. Ciepło ze skraplacza ogrzewa wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania;
  • bezpośrednie parowanie/bezpośrednie skraplanie – gruntowy wymiennik ciepła jest jednocześnie parownikiem pompy, a instalacja grzewcza (wodne ogrzewanie podłogowe) jest skraplaczem. Ani w wymienniku gruntowym, ani w instalacji grzewczej nie ma płynu pośredniczącego w wymianie ciepła, dzięki temu efektywność tej pompy jest największa;
  • woda/woda – parownik pompy jest ogrzewany wodą czerpaną ze studni, rzeki lub jeziora. Ciepło ze skraplacza ogrzewa wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania;
  • powietrze/woda – parownik pompy jest ogrzewany powietrzem. Ciepło ze skraplacza ogrzewa wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania;
  • powietrze/powietrze – parownik pompy jest ogrzewany powietrzem. Ciepło ze skraplacza ogrzewa powietrze nawiewane do pomieszczeń;
  • woda/powietrze – parownik pompy jest ogrzewany wodą. Ciepło ze skraplacza ogrzewa powietrze nawiewane do pomieszczeń.

Współczynnik wydajności grzejnej (COP)

O efektywności pompy ciepła świadczy współczynnik wydajności grzejnej (COP). Jest to stosunek ilości ciepła uzyskanego w skraplaczu pompy do zużytej energii napędowej. Zależy on nie tylko od konstrukcji pompy, ale przede wszystkim od temperatury, jaka ma być uzyskana w odbiorniku ciepła (instalacji grzewczej), oraz temperatury źródła, z którego pompa pobiera ciepło. Zgodnie z rozporządzeniem ministra gospodarki w sprawie wymagań w zakresie efektywności energetycznej wartość współczynnika COP dla sprężarkowych pomp ciepła nie może być mniejsza niż 2,4. To oznacza, że z każdej kilowatogodziny energii elektrycznej zużytej do napędu pompy otrzymamy nie mniej niż 2,4 kWh ciepła. Producenci pomp czerpiących ciepło z gruntu lub wody informują, że współczynnik COP ich urządzeń wynosi najczęściej od 3 do 5. Mniejszą efektywność mają w naszym klimacie powietrzne pompy ciepła.

Z jaką instalacją współpracuje pompa ciepła?

Pompa ciepła może podobnie jak kocioł zasilać zwykłe grzejniki. Ze względu na niższą temperaturę zasilania ich powierzchnia grzewcza musi być jednak odpowiednio większa niż w przypadku współpracy z konwencjonalnym źródłem ciepła. Może to niekiedy powodować problemy ze znalezieniem na nie miejsca. Ich cena będzie też odpowiednio wyższa. Zamiast ogrzewania podłogowego do współpracy z pompą ciepła bardzo dobry jest też inny rodzaj ogrzewania niskotemperaturowego – ogrzewanie ścienne za pomocą rur z wodą zatopionych w tynku. To instalacja jest dość droga, ale gdy porówna się jej cenę z ceną bardzo dużych grzejników dobranych do temperatury zasilania 35°C, wybór może się okazać korzystny. Do zasilania ogrzewania niskotemperaturowego pompą ciepła nie jest potrzebny dodatkowy układ mieszający, ponieważ woda jest od razu podgrzewana do odpowiedniej, niezbyt wysokiej, temperatury.

Współpraca pompy ciepła z już istniejącą instalacją centralnego ogrzewania

W starych domach mamy najczęściej do czynienia z instalacją centralnego ogrzewania grzejnikowego przystosowanego do parametrów grzewczych kotłowni węglowej. Grzejniki mają przewymiarowane powierzchnie grzejne, a rury duże średnice. Taka sytuacja sprzyja wykorzystaniu istniejącej instalacji grzewczej do ogrzewania pompą ciepła. Jeśli w tak ogrzewanym budynku ocieplono ściany i wymieniono okna, zapotrzebowanie na ciepło na pokrycie strat przez przegrody i wentylację pomieszczeń spadło o mniej więcej 50%. Powierzchnia grzejna grzejników jest więc na ogół wystarczająca do zapewnienia wymaganej temperatury wewnętrznej przy parametrach wody grzewczej osiąganych przez pompę ciepła. Problemem może być jednak stan techniczny grzejników oraz zakamienienie instalacji spowodowane częstym sezonowym spuszczaniem oraz uzupełnianiem wody wynikającym z nieszczelności instalacji (co w starych instalacjach było normą). Inaczej jest w większości budynków wybudowanych po 1990 r. Mają one dostateczną izolacją cieplną, a ich instalacje grzejnikowe są przystosowane do parametrów pracy kotłów olejowych czy gazowych, mają niewielką pojemność wodną, rury o małej średnicy i zawory termostatyczne. Nie są gotowe do zasilania pompami ciepła.

Zasada działania pompy ciepła

Jak to możliwe, że pompa dostarcza do instalacji grzewczej ciepłą wodę lub nawiewa do pomieszczeń ciepłe powietrze, jeśli jej źródłem ciepła są woda, grunt lub powietrze o temperaturze niewiele wyższej od 0°C?

Aby to zrozumieć, prześledźmy, co dokładnie dzieje się podczas pracy pomp ciepła typu solanka/woda lub woda/woda. Do parownika pompy dopływa rurami solanka z wymiennika gruntowego albo woda ze studni czerpnej (w pompach typu woda/woda). Jej temperatura wynosi 5-10°C, bo taką maksymalnie ma zimą grunt na głębokości poniżej 1,5 m lub woda gruntowa.

Do działania pompy jest konieczne odparowanie czynnika roboczego krążącego w wewnętrznym obiegu pompy. Musi to być zatem płyn, który odparowuje (wrze) w temperaturze niższej niż 5°C. Na skutek wymiany ciepła z czynnikiem roboczym temperatura solanki z wymiennika gruntowego lub wody ze studni obniża się o 2-3°C. Schłodzona solanka płynie z powrotem do wymiennika gruntowego, woda zostaje odprowadzona do studni zrzutowej. Czynnik roboczy, który odparował dzięki ciepłu odebranemu solance lub wodzie, trafia do sprężarki. Tam w wyniku sprężania (czyli wzrostu ciśnienia) jego temperatura podnosi się do kilkudziesięciu °C. W tym właśnie miejscu do układu jest dostarczana energia napędowa (energia elektryczna do napędu sprężarki). Temperatura czynnika roboczego wzrasta także na skutek tego, że część tej energii zamienia się na ciepło w wyniku tarcia między elementami sprężarki. Już w postaci pary czynnik roboczy trafia do drugiego wymiennika – skraplacza. Tam ogrzewa wodę z instalacji grzewczej (maksymalnie do 60°C), a oddając ciepło, skrapla się. Jego temperatura obniża się przy tym o kilka °C. Już jako ciecz trafia do zaworu rozprężnego, w którym rozpręża się, na skutek czego jego temperatura znacznie się obniża. Z zaworu czynnik płynie znowu do parownika i cykl się powtarza.

Koszty ogrzewania

W tabeli poniżej przedstawiamy koszty ogrzewania różnymi źródłami ciepła. Trzeba je traktować orientacyjnie, bo mają na nie wpływ wahania cen paliw, różnice w opłatach za energię elektryczną czy gaz w zależności od miejsca zamieszkania i sprawność instalacji grzewczej. Zwłaszcza ta ostatnia wielkość może w znaczący sposób wpływać na koszty.

Zwykle do wszelkich porównań przyjmuje się maksymalną sprawność osiąganą przez urządzenia. Tymczasem w praktyce zdarza się, że jest ona nawet o kilkadziesiąt procent niższa, a to oczywiście sprawia, że wytwarzanie ciepła jest o kilkadziesiąt procent droższe! Na sprawność kotłów ma wpływ jakość paliwa. W przypadku gazu i oleju jest ona kontrolowana, więc można uznać, że odchyłki sprawności od wartości podawanej przez producentów są niewielkie. Przyjęliśmy, że sprawność wzorcowo wykonanej kotłowni wynosi 90% dla kotłów na gaz i olej oraz 105% dla gazowych kotłów kondensacyjnych. Z jakością węgla czy peletów bywa różnie, sporo zależy też od umiejętności palacza, więc nieco ostrożniej trzeba podchodzić do sprawności osiąganej przez kotły na te paliwa. Założyliśmy, że wynosi ona odpowiednio 70 i 80% (wymaga to dużej dbałości o czystość kotła). Natomiast sprawność urządzeń elektrycznych uznaliśmy za stuprocentową, co – jak widać – niewiele im pomogło, gdyż ogrzewanie nimi jest najdroższe.

Współczynnik wydajności pomp ciepła COP (odpowiednik sprawności kotłów) zależy od temperatury ośrodka, z którego jest odbierane ciepło – gruntu lub powietrza. Jej wartości trudno przewidzieć (jest niestabilna zwłaszcza w przypadku powietrza). W zależności od pogody COP w każdym sezonie grzewczym jest nieco inny. Postanowiliśmy nie faworyzować za bardzo pomp ciepła i do obliczeń przyjęliśmy COP 3,7 – gdy źródłem ciepła jest grunt i 2 – gdy jest nim powietrze (niektórzy zakładają, że wynosi on odpowiednio nawet 5 i 3, co w praktyce zdarza się bardzo rzadko). Takie współczynniki dla całego sezonu grzewczego są i tak trudne do osiągnięcia przy zastosowaniu urządzeń dostępnych w umiarkowanej cenie. W przypadku pomp gruntowych wymagają perfekcyjnego wykonania instalacji, a w odniesieniu do powietrznych – także niezbyt ostrej zimy.

Autor: Murator

Przeczytaj dodatkowo:
KOSZTY INSTALACJI: ile Cię wyniosą kolektory,...

Sprawdzamy, na jaki wydatek należy się przygotować, gdy chcemy zainstalować pompę ciepła, kominek, kolektory...

Kiedy zainwestować w gruntową, a kiedy w...

Zmniejszenie kosztów ogrzewania w najbliższym sezonie to marzenie każdego. Niektórzy decydują...

Efektywność pracy pomp ciepła – jak je porównać?...

Pompy ciepła należą do ekologicznych i ekonomicznych sposobów ogrzewania. Jednak, aby inwestycja w...

Pompa ciepła powietrze woda. Sposób na obniżenie...

Zastanawiasz się, jak zredukować rachunki za ogrzewanie domu bez spadku komfortu? Rozwiązaniem jest...

Ogrzewanie domu i wody powietrzną pompą ciepła....

Bezobsługowe ogrzewanie domu – a latem także chłodzenie – to dla jego właścicieli trudna do...

Jakie powinny być spełnione warunki, żeby...

Pompy ciepła typu solanka-woda, wykorzystujące do ogrzewania domu i wody odnawialną energię z gruntu, to...

Żaden utwór zamieszczony w serwisie nie może być powielany i rozpowszechniany lub dalej rozpowszechniany w jakikolwiek sposób (w tym także elektroniczny lub mechaniczny) na jakimkolwiek polu eksploatacji w jakiejkolwiek formie, włącznie z umieszczaniem w Internecie - bez pisemnej zgody ZPR Media S.A.. Jakiekolwiek użycie lub wykorzystanie utworów w całości lub w części z naruszeniem prawa tzn. bez zgody ZPR Media S.A. jest zabronione pod groźbą kary i może być ścigane prawnie.