Spis treści
Pompa ciepła – jak to działa?
Pompa ciepła to urządzenie którego zasada działania jest taka sama, jak chłodziarki lub zamrażarki czy klimatyzatora. Sercem urządzenia jest instalacja sprężarkowa z obiegiem czynnika roboczego, który w procesach sprężania i rozprężania zmienia stan skupienia, czemu towarzyszy oddawanie lub pobieranie ciepła. Czynnik roboczy krąży w instalacji pompy ciepła, „przepompowując” energię pomiędzy dwoma ośrodkami – w jednym pobiera energię, a do drugiego oddaje. W najbardziej popularnych w ostatnich latach powietrznych pompach ciepła powietrze/powietrze lub powietrze/woda ośrodkami wymiany są powietrze zewnętrzne i bezpośrednio wnętrze domu lub woda w instalacjach c.o i c.w.u. – w przypadku centralnego ogrzewania może być ono przystosowane także do chłodzenia powietrza w okresie letnim.
Pompy ciepła są dedykowane domom o niskim zapotrzebowaniu na ciepło. Najlepiej sprawdzi się w dobrze zaizolowanych domach, które były budowane zgodnie z obowiązującymi normami w ostatnich 20 latach. Można przyjąć, że wskaźnik zapotrzebowania na ciepło domu dla instalacji pompy ciepła (W/m²) powinien wynosić minimum ok. 120 W/m², ale lepiej, gdy jest mniejszy Dla nowoczesnych budynków energooszczędnych przyjmuje się wskaźnik na poziomie 40-50 W/m², dla domów z lat 90. 60-80 W/m², a dla starszych budynków – właśnie 100-120 W/m². Aby jej zastosowanie miało sens, w starszych budynkach sprzed lat 90. XX w. należy wykonać ich termomodernizację, zaczynając od stolarki okiennej i drzwiowej, izolacji dachu i ścian zewnętrznych. Modernizacja ogrzewania i instalacja pompy ciepła może być przeprowadzona po zakończeniu prac zwiększających izolacyjność przegród zewnętrznych.
Wydajność pompy ciepła – COP, SCOP, SCF
Pompa ciepła to urządzenie, które wykorzystuje energię elektryczną pośrednio. Prąd jest wykorzystywany przede wszystkim do instalacji sprężarkowej z obiegiem czynnika roboczego, urządzeń kontrolujących pracę oraz zasilania instalacji c.o i c.w.u.
Do najważniejszych parametrów technicznych pompy ciepła należy sprawność, która pozwala oszacować, z jaką efektywnością będzie zamieniać energię elektryczną na cieplną (ogrzewanie lub chłodzenie). Sprawność pompy jest określana współczynnikami – COP, SCOP i SPF. Każdy z nich inaczej obrazuje koszty ogrzewania - COP jest miarodajny w określonej chwili przy zastanych warunkach, SCOP daje obraz uśredniony w sezonie grzewczym, SPF podaje efektywność w przypadku używania pompy zarówno do ogrzewania, jak i do chłodzenia.
COP zmienny jest
Współczynnik COP to parametr, który określa stosunek wytworzonego ciepła do ilości pobranej energii. W przypadku, gdy pompa pobrała 2 kWh i wyprodukowała 5 kWh ciepła, to COP wynosi 2,5. Pompy ciepła osiągają COP na poziomie 2 – 4, co oznacza, że z 1 kWh energii elektrycznej dostarczają 2 - 4 kWh. Wydajność wynosi więc 200 – 400%, wynik nieosiągalny dla innych źródeł ciepła.
Wskaźnik COP jest podawany i mierzony przez producentów, kiedy urządzenie pracuje w określonych warunkach. Jednak warunki są bardzo zmienne i zależą od mnóstwa czynników, wśród których można wymienić lokalizację budynku, temperaturę zewnętrzną otoczenia czy preferencje grzewcze i liczbę użytkowników w domu. Dlatego COP dla każdego urządzenia nie jest wartością stałą, a zmienną. Na jego zmiany największy wpływ mają temperatury – dolnego źródła ciepła, czyli tego, skąd pozyskiwana jest energia (powietrze, woda, grunt) i górnego źródła ciepła, czyli tego, do którego urządzenie oddaje energię (instalacja grzejnikowa, podłogowa, powietrze wewnątrz domu). COP jest tym wyższy, im mniejsza jest różnica temperatur pomiędzy dolnym i górnym źródłem. Dla pompy powietrznej, najbardziej obecnie popularnej, zupełnie inna będzie wartość COP, jeśli na zewnątrz będzie temperatura 10 st C i -10 st C. Dodatkowo COP będzie inny dla instalacji grzejnikowej z wyższą temperaturą zasilania 45 – 55 st C i dla zasilania podłogówki z temperaturą 30 – 35 st C. Współczynnik COP danej pompy ciepła jest zmienny, bo zależy zarówno od temperatury powietrza na zewnątrz, jak i od temperatury zasilania instalacji.
- Ile prądu zużyje pompa ciepła? Sprawdziliśmy, czy warto bać się rachunków grozy przy ogrzewaniu domu
SCOP i SCF - efektywność uśredniona
Bardziej miarodajne wartości efektywności pompy dają współczynniki: SCOP i SPF.
SCOP uwzględnia zmienność warunków zewnętrznych, które wpływają na efektywność pompy ciepła w różnych okresach sezonu grzewczego.
SPF uwzględnia nie tylko pracę pompy ciepła potrzebną do ogrzania, ale i chłodzenia budynku. Dla obliczenia SPF musimy znać szacunkową całkowitą ilość dostarczonego lub odprowadzonego ciepła w całym sezonie i zmierzyć zużycie energii elektrycznej przez cały system w tym samym okresie, a następnie podzielić sumę energii cieplnej przez sumę zużytej energii elektrycznej. Otrzymamy w ten sposób uśrednioną wartość dla pracy systemu przez cały rok.
Dobór pompy ciepła – pamiętaj o punkcie biwalentnym
Koszty ogrzewania spędzają sen z powiek wielu właścicielom domów. Pompa ciepła ma być urządzeniem, które chroni środowisko, a jednocześnie minimalizuje koszty. Ten system jest jednak bardzo delikatny i bardzo podatny na błędy w doborze i wykonawstwie oraz podczas niewłaściwego użytkowania. Stąd często na forach internetowych padają pytania do użytkowników, czy np. oszczędzając energię „chodzą po domu w polarach”.
W przypadku korzystania ze źródła dolnego o stabilnej temperaturze, np. kolektor ziemny, studnia głębinowa COP jest wartością stałą, ale przy powszechnie stosowanych pompach powietrznych, gdzie dolnym źródłem energii jest powietrze na zewnątrz domu COP zmienia się wraz z warunkami atmosferycznymi. O ile przy temperaturach oscylujących wokół zera stopni Celsjusza jest jeszcze w miarę wysoki, to drastycznie może spaść, kiedy temperatury obniżają się do -15 st. C i niższych.
Producenci, szczególnie ci o ugruntowanej pozycji na rynku, podają szczegółowe dane testowe dla swoich pomp ciepła określające COP dla różnych wartości temperatur zewnętrznych i skojarzonych z nimi temperaturami zasilania instalacji. W pompach powietrznych COP obniża wartości wraz ze znacznym spadkiem ujemnych temperatur. Kiedy temperatura osiąga tzw. punkt biwalentny, moc grzewcza pompy nie wystarcza już na pokrycie zapotrzebowania cieplnego domu i musi zostać włączone dodatkowe źródło ciepła, którym najczęściej jest grzałka elektryczna, co prowadzi do znacznego zużycia energii. Jednak prawidłowo dobrana pompa ciepła do strefy klimatycznej i zapotrzebowania na ciepło domu pozwoli na pracę pompy ciepła bez wspomagania przez przynajmniej 95% czasu sezonu zimowego. W Polsce punkt biwalentny w zależności od strefy klimatycznej to od -7 do - 12 st. C. Dlatego ważny jest odpowiedni dobór modelu pompy do warunków lokalnych i właściwe dopasowanie mocy grzewczej, aby unikać nadmiernego użycia grzałki. Inne są modele pomp dedykowanych do pracy w Hiszpanii, a inne w Szwecji lub Finlandii – również cena jest inna.
Krzywa grzewcza - podstawa oszczędności
Krzywa grzewcza to najważniejsze ustawienie sterownika pompy ciepła, które definiuje zależność między temperaturą zewnętrzną a temperaturą wody zasilającej instalację grzewczą, przy zapewnieniu komfortu cieplnego i optymalnym zużyciu energii. Określa wysokość temperatury podgrzewania wody w zależności od temperatury powietrza na zewnątrz. Dzięki temu uniknie się przegrzewania lub niedogrzewania budynku i zmniejsza koszty eksploatacji.
Prawidłowo ustawiona krzywa (z odpowiednim nachyleniem i przesunięciem) dopasowuje pracę pompy do zapotrzebowania cieplnego i rozwiązań zastosowanych w budynku – łagodniejsze nachylenie dla ogrzewania powierzchniowego i bardziej strome dla grzejnikowego. Temperatura wody w instalacji przy -20 st.C na zewnątrz może mieć 45 st. C, a przy +15 st. C tylko 25 st. C.
Ile pompa ciepła zużywa prądu?
Obliczenie zużycie prądu można wykonać samemu, ale potrzebne są do obliczeń dane. Jeśli chcemy sprawdzić, ile zużywa pompa ciepła w określonym momencie, musimy znać:
- zapotrzebowanie cieplne domu przy danej temperaturze zewnętrznej, czyli moc, jakiej wymaga budynek na ogrzanie (kW) – jest inne dla temperatury +5 st. C i -5 st C, a im wyższa różnica pomiędzy temperaturą zewnętrzną a wewnętrzną (20 – 21 st C), tym zapotrzebowanie jest większe.
- współczynnik COP urządzenia dla określonej temperatury zewnętrznej; producenci dołączają tabelki lub wykresy pokazujące wartości współczynnika dla różnych temperatur zewnętrznych.
Zużycie prądu chwilowe otrzymamy, dzieląc wartość zapotrzebowania przez COP dla danej temperatury zewnętrznej. Podkreślić jednak trzeba, że będzie to chwilowe zużycie uzależnione od warunków w danym momencie i zmieni się wraz upływem czasu.
Otrzymane wartości dla różnych temperatur zewnętrznych będą inne. Dla pewnych temperatur okaże się, że moc zużycia prądu zbliża się do mocy zapotrzebowania na ciepło, co wiąże się z drastycznym spadkiem współczynnika COP. Ekstremalnie niskie temperatury będą powodem wyższych rachunków z powodu obniżania się współczynnika COP. Na szczęście dni z wyjątkowo niską temperaturą nie jest wiele, a dodatkowo temperatury zmieniają się w ciągu doby, wzrastając w ciągu dnia. Mroźne dni są często słoneczne, dostarczając do wnętrza domu dodatkową dawkę energii. Średnia temperatury miesięcznej będzie o wiele niższa od tych najwyższych i nawet przy założeniu, że sezon zimowy będzie zimniejszy niż średnia z kilku ostatnich lat, to i tak nie wpłynie znacznie na zwiększenie zużycia prądu.
Nie należy więc „łapać się” na sensacyjnie brzmiące posty na forum Muratora czy na Facebooku w stylu „na zewnątrz o 5 rano jest -16,5 st C, a pompa ciepła pobiera 30 kWh”, bo przecież już za godzinę, trzy, pięć będzie pobierać dużo mniej wraz ze wzrastającą temperaturą i za dobę to nie będzie już 30 kWh, a średnia o wiele niższa. Dodatkowo pompa nie pracuje przecież przez cały czas.
Dla przykładu na stronie internetowej Kołton podane są średnie miesięczne zużycia prądu dla pomp o różnej mocy przy średniej miesięcznej -5 st. C, które szacowane jest od 12 kWh dla pompy 6 kW do 42 kWh dla pompy 16 kW.
Każdy stopień ma znaczenie – czyli jak oszczędzać
Obniżenie temperatury zasilania centralnego ogrzewania o 2 st. C daje 4% wzrost współczynnika COP. Ogrzewanie powierzchniowe (najczęściej podłogowe) na jak największej powierzchni ogrzewanej w domu zmniejsza koszty ze względu na niższą temperaturę zasilania rzędu 30 st. C (grzejniki wymagają wyższej, rzędu 45 – 50 st. C). Dodatkową korzyścią z zastosowania ogrzewania powierzchniowego jest możliwość skorzystania z instalacji latem do efektywnego chłodzenia pomieszczeń. Wówczas woda w przewodach podłogowych ma temperaturę o wiele niższą od otoczenia i odbiera ciepło, działając trochę jak tylna ścianka w typowej lodówce odbierając ciepło z wnętrza.
Zastosowanie termostatów pokojowych pozwala na zmniejszenie o 1 st. C na noc temperatury w pomieszczeniach, co zwiększa COP o 2%.
Pompy ciepła działają znacznie mniej oszczędnie w instalacjach grzejnikowych. Ma to związek z potrzebą podgrzania wody do większej temperatury niż dla instalacji z ogrzewaniem powierzchniowym. Warto zastanowić się nad ogrzewaniem dwustrefowym z odrębnym sterowaniem grzejników na piętrze i ogrzewania podłogowego na parterze.
Powszechnym błędem jest ustawienie zbyt wysokiej temperatury c.w.u. Ekonomiczną wartością jest 45–48°C oraz dodatkowo zaprogramowanie pompy cyrkulacyjnej w sposób racjonalny – np. tylko rano i wieczorem, zamiast pracy ciągłej.
Regularny serwis z przeglądem raz w roku to nie tylko warunek gwarancji, ale także braku niespodzianek po jej zakończeniu. Warto kontrolować szczelność układu chłodniczego i czystość filtrów. Nieoczyszczona jednostka zewnętrzna (liście, lód, brud) może wpłynąć na efektywność pracy i zwiększa COP nawet o 5%.
Zainstalowanie systemu pompy ciepła z buforem ciepła, szczególnie w instalacjach grzejnikowych w budynkach poddawanych termoizolacji, znacznie zmniejsza zużycie prądu, chociaż zwiększa koszt inwestycji.
Warto też rozważyć zastosowanie podlicznika energii elektrycznej dedykowanego pompie ciepła. To urządzenie do precyzyjnego pomiaru zużycia (kWh), kluczowe do optymalizacji kosztów, oceny efektywności pracy i wskazywania oszczędności, montowane na przewodzie zasilającym pompę pozwala monitorować zużycie w czasie rzeczywistym i lepiej zarządzać budżetem.
Warto wreszcie pamiętać, że instalacja PV obniża koszty eksploatacji pompy ciepła o 30 - 50%.
