Ekologiczne źródła energii: pompa ciepła

Coraz większe obciążenia środowiska naturalnego sprawiły, że powinniśmy poważnie pomyśleć o alternatywnych sposobach pozyskiwania energii i ekologicznym ogrzewaniu. Pompa ciepła pozwoli nam efektywnie wykorzystywać energię odnawialną. Wyjaśniamy, na czym polega działanie pompy ciepła i podpowiadamy, jaką wybrać

Zobacz galerię 1 zdjęcie

Autor: VIESSMANN

Pompy ciepła to jedne z najnowocześniejszych urządzeń grzewczych. Są ekologiczne, a za pozyskane dzięki nim ciepło nie trzeba płacić

Pompy ciepła to niewielkie ekologiczne urządzenia służące przede wszystkim do ogrzewania domu. W tym celu pobierają ciepło pochodzące z otoczenia (wody, gruntu lub powietrza), czyli tak zwanego dolnego źródła, i przekazują je do źródła górnego – instalacji grzewczej (grzejników lub ogrzewania podłogowego). 

Działanie pompy ciepła można porównać do pracy lodówki. Ma ona za zadanie chłodzić produkty spożywcze, a efektem ubocznym jej pracy jest pobrane od nich ciepło, które jest oddawane do pomieszczenia. Pompa natomiast pobiera ciepło z otoczenia, ogrzewa nim budynek, a efektem ubocznym jej pracy jest wychładzanie dolnego źródła. Do ogrzewania domu nie potrzebuje więc żadnego paliwa, poza prądem niezbędnym do napędu sprężarki, czyli głównego elementu pompującego energię cieplną z dolnego źródła. Ilość dostarczanej do pompy energii w postaci prądu jest jednak kilkakrotnie mniejsza od ilości energii w postaci ciepła przekazywanego do pomieszczeń. Dzięki temu jej eksploatacja jest o wiele tańsza niż kotła na gaz czy olej.

Ponadto pompy ciepła pracują w sposób nieszkodliwy dla środowiska – urządzenia te nie produkują dymu, popiołu ani żadnych innych substancji szkodliwych dla środowiska. Moc czystej energii Aby praca pompy była optymalna, jej moc musi być dobrana do zapotrzebowania domu na ciepło. Urządzenie o zbyt dużej mocy może przyczynić się do zwiększenia kosztów inwestycji, natomiast za małe spowoduje zbyt częste włączanie się sprężarki.

Jak obliczyć optymalną moc pompy ciepła?

Aby praca pompy była optymalna, jej moc musi być dobrana do zapotrzebowania domu na ciepło. Urządzenie o zbyt dużej mocy może przyczynić się do zwiększenia kosztów inwestycji, natomiast za małe spowoduje zbyt częste włączanie się sprężarki. To z kolei skraca jej żywotność oraz przyczynia się do większego zużycia energii elektrycznej. Dobór mocy pompy ciepła należy powierzyć projektantowi instalacji grzewczej.

Trzeba jednak wiedzieć, że do określania tego parametru powinno się podchodzić trochę inaczej, niż się to robi w przypadku kotła, np. gazowego. Kocioł powinien mieć pewien zapas mocy, dzięki któremu będzie w stanie efektywnie ogrzewać dom nawet w okresie bardzo silnych mrozów. W kotłach jednak stosuje się tzw. modulację mocy, czyli jej dostosowywanie do aktualnych potrzeb. Pompy ciepła z taką modulacją to jeszcze rzadkość. Aby pokryć zapotrzebowanie domu na ciepło nawet w czasie bardzo mroźnych dni, projektanci często proponują pompy o zawyżonej mocy. Oznacza to jednak, że taka pompa będzie pracowała na najwyższych obrotach, a więc z nadmiarem mocy (wykorzystywanym tylko kilka dni w roku) przez cały czas – niezależnie od temperatury panującej na zewnątrz. To oczywiście niesie ze sobą spore straty energii.

Właściwym rozwiązaniem wydaje się wybór pompy ciepła o mocy wystarczającej dla typowej temperatury w zimie (od 0°C do -10°C). Niektórzy fachowcy uważają, że moc pompy ciepła może być nawet trochę niedoszacowana, a więc o 20-30% niższa, niż byłaby potrzebna w największe mrozy. W okresach, kiedy temperatura spada znacznie poniżej zera, pompa ciepła musi być jednak wspomagana innym źródłem ciepła, czyli pracować w układzie biwalentnym. Wadą takiego rozwiązania jest to, że pompa o mocy mniejszej niż zapotrzebowanie domu na ciepło będzie pracowała nieustannie, obciążając tym samym znacznie dolne źródło, dla którego praca z przerwami jest zdecydowanie bardziej korzystna.

Jakie dodatkowe źródło ciepła wybrać?

Niektórzy producenci wyposażają pompy ciepła w elektryczne grzałki (działające jak elektryczny podgrzewacz wody), które w czasie bardzo niskich temperatur panujących na zewnątrz wspomagają ogrzewanie domu. Takie rozwiązanie generuje jednak większe koszty za energię elektryczną. Jako dodatkowe źródło ciepła można zastosować np. gazowy lub olejowy kocioł kondensacyjny.

Ze względów ekologicznych najbardziej optymalnym rozwiązaniem będzie jednak wybór kominka z zamkniętą komorą spalania – przede wszystkim dlatego, że drewno jest bardzo efektywnym i odnawialnym źródłem energii, a nowoczesne wkłady kominkowe gwarantują pełną kontrolę procesu spalania drewna, redukując tym samym emisję szkodliwych związków i wykorzystując maksymalnie powstałą energię cieplną.

Sprawność pompy ciepła

O tym, czy pracuje efektywnie, świadczy sprawność pompy ciepła. Najprostszą definicją sprawności pomp jest stosunek wytworzonej przez nie energii cieplnej do ilości pobranej energii elektrycznej, określany przez współczynnik COP. Jeśli dla danej pompy wynosi on 4, oznacza to, że dostarcza ona 4 kW energii, zużywając przy tym 1 kW energii elektrycznej (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).

Wskaźnik COP najczęściej określa się w laboratoriach w konkretnych warunkach pracy pompy ciepła, czyli dla danej temperatury dolnego i górnego źródła ciepła. W rzeczywistości parametry te podlegają ciągłym zmianom – oznacza to, że zmienia się również efektywność, z jaką pracuje pompa. Sprawność pomp ciepła w sposób dokładniejszy wyraża drugi wskaźnik zwany sezonowym współczynnikiem sprawności SPF (SCOP). Określa on stosunek energii wyprodukowanej do pobranej w danej jednostce czasu – najczęściej w ciągu jednego roku. Ponadto bilans ten uwzględnia energię elektryczną pobraną nie tylko przez sprężarkę, ale również dodatkowe elementy systemu, takie jak wentylatory czy grzałki elektryczne. To właśnie współczynnik SPF (SCOP) pompy ciepła mówi o tym, jaki ma ona wpływ na środowisko naturalne oraz na koszty ogrzewania domu.

Jaką pompę ciepła wybrać?

Wybór rodzaju pompy ciepła, a dokładniej jej dolnego źródła, zależy od warunków, w których będzie ona funkcjonować: powierzchni działki, strefy klimatycznej, w jakiej zlokalizowany jest dom, poziomu wód gruntowych i ich składu chemicznego, a także przekroju geologicznego ziemi na działce (rodzaju gruntu). Przedstawiamy cztery pompy czerpiące ciepło z różnych źródeł i mające różne współczynniki sprawności.

Ciepło z wody

Ze względu na stosunkowo wysoką temperaturę wód gruntowych również zimą (8-10°C) ten sposób pozyskiwania energii uważany jest jako najefektywniejszy. Wybór pompy pobierającej ciepło z wody wymaga jednak znalezienia warstwy wodonośnej o odpowiednio dużej wydajności – około 210 l na godzinę na każdy kilowat mocy grzewczej. Aby pompa działała ekonomicznie, woda musi mieć odpowiednią jakość pod względem chemicznym. Najbezpieczniej jest zastosować obieg pośredni z czynnikiem niezamarzającym pomiędzy pompą ciepła a wodą z ujęcia. Ciepło z wody ogrzewa czynnik niezamarzający poprzez zewnętrzny wymiennik ciepła, a dopiero czynnik niezamarzający trafia na parownik pompy ciepła. Woda powinna być też pozbawiona zanieczyszczeń mechanicznych, które zwiększałyby opory przepływu przez parownik.

Do działania pompy wykorzystującej ciepło wody gruntowej potrzebne są dwie studnie głębinowe – czerpna (pobierająca wodę, z której pompa odbiera ciepło) oraz zrzutowa, do której odprowadzana jest „wyeksploatowana z ciepła” woda. Jeśli na działce znajduje się staw lub inny zbiornik wodny, nie trzeba wiercić studni – pompa może wykorzystywać również taką wodę do pozyskiwania ciepła (zimą na dnie stawu temperatura wody nie spada poniżej 8°C). Taka woda wymaga jednak filtrowania i okresowej wymiany instalacji transportującej.

Wodne pompy ciepła sprawdzą się w przypadku domów o sporym zapotrzebowaniu na ciepło. Współczynnik COP pomp wykorzystujących ciepło wody wynosi średnio od 5 do 6,6, w zależności od temperatury dolnego i górnego źródła (oznacza to, że można uzyskać pięć do sześciu razy większą ilość energii od tej zużywanej przez pompę).

Ciepło z powietrza

W tym przypadku dolnym źródłem ciepła jest powietrze. Takie pompy są najtańsze i najprostsze w montażu – niepotrzebny jest projekt dolnego źródła ciepła, gdyż jest nim sama pompa. Ze względu na najmniej skomplikowaną budowę ryzyko występowania ewentualnych usterek jest w tym przypadku najmniejsze. Ponadto dostęp do powietrza jest nieograniczony, w związku z tym takie urządzenie może być zainstalowane na każdej działce, nawet takiej o niewielkich wymiarach.

Efektywność pompy powietrznej maleje, gdy na zewnątrz robi się zimno, a więc gdy potrzeba najwięcej ciepła do ogrzania domu. Wraz ze spadkiem sprawności takiego urządzenia zmniejsza się bowiem jego moc grzewcza. Wówczas praca pompy musi być wspomagana wbudowaną w nią grzałką elektryczną (pompa zużywa zatem więcej energii elektrycznej) lub np. kominkiem. Jednak przez większą część sezonu grzewczego, gdy temperatura powietrza jest umiarkowana, taka pompa pracuje ekonomicznie. Pompa powietrzna jest zalecana do domów z drugim, tradycyjnym źródłem ciepła. Może być montowana zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz budynku. Współczynnik COP pomp powietrznych wynosi do 4,4, w zależności od temperatury dolnego i górnego źródła.

Ciepło z gruntu

W naszych warunkach klimatycznych najlepiej spisują się pompy czerpiące ciepło z gruntu. Układa się w nim rury z tak zwanym czynnikiem roboczym (solanką) przekazującym ciepło do pompy. Współczynnik COP takich pomp wynosi nawet 4,8.

Pompa ciepła z wymiennikiem poziomym – kolektorem

To najczęściej stosowany w Polsce typ pompy ciepła. Pobiera ona ciepło z gruntu przez tzw. kolektor gruntowy (kolektor ziemny). Czynnik niezamarzający (tzw. solanka), krążąc w długiej wężownicy na głębokości 1,2-1,5 m, odbiera ciepło z gruntu. Powierzchnia kolektora ziemnego zależy od rodzaju gruntu i typu budynku, ale orientacyjnie powinna być 1,5-2 razy większa od powierzchni użytkowej domu. Taka pompa wymaga więc stosunkowo dużej powierzchni działki.

Pompa ciepła z wymiennikiem pionowym – sondą

Jeśli na działce panuje niski poziom wód gruntowych, a więc wykonanie poziomego wymiennika nie jest możliwe, można zastosować pompę z sondami pionowymi, pobierającymi ciepło z gruntu z głębokości kilkudziesięciu metrów. Sprawdzi się ona również w przypadku działek o niewielkiej powierzchni. Wykonanie wymiennika pionowego jest bardziej kłopotliwe i droższe niż kolektora, lecz pozwala uzyskać lepszy efekt energetyczny.