Czy powietrzna pompa ciepła jest lepsza od gruntowej?
Choć ogrzewanie powietrznymi pompami ciepła nie jest tak tanie jak gruntowymi, są coraz chętniej stosowane, bo dużo łatwiej je zainstalować. Jak bardzo ustępują gruntowym pod względem efektywności?
Autor: Piotr Mastalerz
W 2013 r. sprzedaż pomp powietrznych przeznaczonych do ogrzewania domów wzrosła o prawie 30% w stosunku do 2012 r.
Energię, którą pompa ciepła odbiera od gruntu lub powietrza, wykorzystuje się do podgrzewania wody w instalacjach centralnego ogrzewania i przygotowujących ciepłą wodę użytkową. Takie urządzenie jest dość drogie, za to ogrzewanie nim kosztuje mniej niż kotłami na paliwa płynne – olej opałowy, propan, a nawet znacznie tańszy od nich gaz ziemny. Jednak koszt ogrzewania może się znacznie różnić w zależności od tego, jaką pompę ciepła się wybierze. Choć zasada działania wszystkich urządzeń tego typu jest podobna, ich osiągi są różne, a przekłada się to na ich cenę.
Na czym polega praca pompy ciepła?
Ciepło w naturalny sposób przepływa z ośrodka o wyższej temperaturze do tego o niższej, więc gorący grzejnik ogrzewa chłodniejsze powietrze w pomieszczeniu. Natomiast dzięki pompie ciepła jest możliwe ogrzewanie pomieszczeń energią odbieraną z gruntu bądź z powietrza mimo tego, że ich temperatura jest niższa niż ta, do której jest ogrzewane pomieszczenie. Przepływ ciepła z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o wyższej temperaturze uzyskuje się dzięki sprężaniu pary krążącego w pompie ciepła płynu – w wyniku wzrostu ciśnienia rośnie też jego temperatura.
Żeby sprężyć parę, trzeba wykonać pracę – tym większą, im wyższą temperaturę chce się uzyskać. Wykonuje ją silnik sprężarki. Do jego napędu na ogół wykorzystuje się energię elektryczną, bo tak jest najwygodniej, choć są też pompy ciepła z silnikami spalinowymi (na gaz). Więc choć energia odbierana z otoczenia nic nie kosztuje, to trzeba płacić za prąd. Zatem na opłacalność zastosowania pompy ciepła do ogrzewania ma wpływ to, ile energii pochłania napęd jej sprężarki. A to zależy nie tylko od doskonałości jej konstrukcji, ale przede wszystkim od tego, jak dużo pracy musi wykonywać, żeby zwiększyć temperaturę sprężanego czynnika do wymaganego poziomu. Dlatego najlepiej, gdy temperatura tak zwanego dolnego źródła ciepła (tego, z którego pompa odbiera energię) jest niewiele niższa od temperatury źródła górnego (tego, do którego pompa przekazuje energię).
Jak pompa ciepła reaguje na częste zmiany temperatury?
Ze względu na problemy techniczne wynikające ze zmian zakresu temperatury, w jakim działają pompy ciepła w naszym klimacie, na ogół stosuje się w nich elektryczne grzałki wspomagające ich pracę przy niskiej temperaturze na zewnątrz. Koszt eksploatacji pompy wynika zatem także z opłat za energię pobieraną przez włączającą sią automatycznie grzałkę. Dlatego udoskonalanie konstrukcji pomp ciepła ma na celu zwiększenie zakresu temperatury, w którym mogą działać bez wspomagania grzałką. Ostatnio producenci poczynili pod tym względem duże postępy, dzięki czemu efektywność nowych modeli powietrznych pomp ciepła znacznie zbliżyła się do uzyskiwanej przez pompy gruntowe.
Pompa ciepła a współpraca z instalacją grzewczą
Niezależnie od tego, skąd pompa czerpie energię, jej górnym źródłem jest instalacja grzewcza, której zadaniem jest ogrzewanie pomieszczeń do 20-24oC. Żeby udawało się utrzymać taką wartość temperatury mimo strat ciepła, czynnik grzewczy przepływający przez grzejniki musi mieć temperaturę jeszcze wyższą.
Im wyższa jest temperatura grzejnika, tym mniejsza jego powierzchnia wystarczy do uzyskania wymaganej mocy grzania. Ale też tym większą pracę musi wykonać pompa ciepła, żeby przekazać energię ze źródła do instalacji grzewczej. Zatem dążąc do tego, żeby koszt eksploatacji pompy ciepła był jak najniższy, trzeba utrzymywać jak najniższą temperaturę instalacji. Za optymalną wartość temperatury zasilania instalacji grzewczej w przypadku stosowania pompy ciepła przyjęto 35oC – to minimum, przy którym powierzchnia grzewcza nie jest zbyt duża, żeby bez problemu zmieścić ją w pomieszczeniu (wykorzystuje się wtedy ogrzewanie płaszczyznowe – na przykład podłogowe, ewentualnie ścienne), a reakcje instalacji na spadki temperatury w pomieszczeniu są wystarczająco szybkie.
Pompy ciepła o bardziej skomplikowanej budowie - kiedy się je montuje?
W pewnych okolicznościach, na przykład gdy pompa ma współpracować z instalacją zaprojektowaną wcześniej z myślą o zasilaniu jej przez kocioł paliwowy, stosuje się pompy ciepła o nieco bardziej skomplikowanej konstrukcji (z dwoma zaworami rozprężnymi, dodatkowym wymiennikiem ciepła i sprężarką z dodatkowym wtryskiem pary) umożliwiającej uzyskiwanie wyższej temperatury zasilania instalacji grzewczej – nawet 65oC. Jednak wtedy pompa ciepła musi wykonywać więcej pracy, więc pochłania więcej energii elektrycznej w stosunku do ilości przekazywanego ciepła, a jej sprężarka musi dysponować większą mocą. W rezultacie takie rozwiązanie jest niezbyt efektywne (mimo wysokiej sprawności sprężarek z dodatkowym wtryskiem pary) i do tego drogie.
Pompa ciepła - temperatura dolnego źródła
Skoro temperatura górnego źródła nie powinna być niższa niż 35oC, to dążąc do osiągnięcia jak najwyższej efektywności pompy ciepła, należy się skupić na temperaturze dolnego źródła. Ta powinna być jak najwyższa, by pompa wykonywała jak najmniejszą pracę. Czy wobec tego lepiej, gdy pompa odbiera energię z gruntu czy z powietrza? Odpowiedź wydaje się prosta. Temperatura powietrza obniża się nawet do -25oC, a wtedy temperatura gruntu na głębokości poniżej 0,8 m w Polsce zachodniej i poniżej 1,4 m na północnym wschodzie wciąż pozostaje dodatnia. W takiej sytuacji, aby podgrzewać wodę do temperatury 35oC energią zakumulowaną w powietrzu, trzeba wykonywać blisko dwukrotnie większą pracę niż w przypadku korzystania z energii w gruncie.
Można się więc spotkać z opinią, że powietrzne pompy ciepła nie nadają się do naszego k limatu, bo zimy są u nas zbyt chłodne, i że sens ma jedynie stosowanie pomp gruntowych. Tymczasem silny mróz zdarza się u nas dość rzadko, a średnia temperatura powietrza dla sezonu grzewczego w różnych rejonach Polski w latach 2000-2010 oscylowała między 3 a 8oC. Zatem była porównywalna z temperaturą gruntu na głębokości 1,5-2 m. Jednak faktem jest, że mimo tego efektywność instalowanych u nas powietrznych pomp ciepła jest niższa niż gruntowych.
