Ogrzewanie domu pompą ciepła na działce bez mediów: jakie urządzenie wybrać?
Jednym z nowoczesnych sposobów ogrzewania domu jest instalacja z pompą ciepła. Najbardziej popularne są dwa rodzaje: gruntowa i powietrzna. Czy instalacja grzewcza z pompą ciepła to dobry wybór? Argumenty za i przeciw na podstawie konkretnego projektu domu.
Autor: Piotr Mastalerz
Z aletą pompy ciepła jest między innymi to, że można ją ustawić w pomieszczeniu, które nie musi spełniać żadnych szczególnych wymagań
Założenia do instalacji grzewczej domu na działce bez mediów
Możliwości ogrzewania przedstawiamy na przykładzie domu powstającego zgodnie z projektem Optymalny – Murator M133 z Kolekcji Muratora. Powierzchnia ogrzewana (pomieszczeń z regulowaną temperaturą) wynosi w nim 180 m2, z czego użytkowa – 134 m2. Dom jest budowany w centralnej Polsce, czyli w strefie klimatycznej obejmującej większą część naszego kraju, w której obliczeniowa temperatura zewnętrzna w zimie wynosi -20oC. Ze świadectwa charakterystyki energetycznej budynku dowiadujemy się, że wskaźnik sezonowego zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji wynosi 61,14 kWh/(m2·rok).
To znaczy, że dom jest dobrze zabezpieczony przed stratami ciepła – z zapasem spełnia wymagania obowiązujących wymagań, więc jego ogrzewanie nie będzie dużo kosztować.
W projekcie przewidziano ogrzewanie budynku kotłem na gaz ziemny, wiszącym, z zasobnikiem ciepłej wody użytkowej o pojemności 120 l. Wyznaczono na niego miejsce w kotłowni o powierzchni 6,9 m2 zlokalizowanej koło garażu. Kocioł obsługuje obieg ogrzewania grzejnikowego i grzania wody użytkowej w pojemnościowym podgrzewaczu o pojemności 120 l.
Obliczeniowe zapotrzebowanie na moc cieplną wynosi 11,9 kW, jednak w projekcie przewidziano kocioł o mocy 20 kW, by zapewnić szybsze podgrzewanie wody użytkowej w zasobniku. W domu jest też przewidziany kominek, ale nie uwzględniono go w bilansie mocy – ma być alternatywą dla kotła, lecz jego działanie nie jest niezbędne do zapewnienia komfortu cieplnego.
Instalacja grzewcza oparta na pompie ciepła
Gdy komuś zależy na niskim koszcie ogrzewania i jednocześnie na tym, żeby nie musiał się zajmować obsługą urządzeń grzewczych, powinien rozważyć zakup pompy ciepła. Zawsze przed podjęciem decyzji o takiej inwestycji pojawiają się wątpliwości co do jej opłacalności, bo pompa ciepła jest stosunkowo droga. Trzeba też brać pod uwagę konieczność dostosowania do współpracy z nią instalacji grzewczej. Pompa ciepła działa efektywnie i zapewnia wydatki na ogrzewanie równie niskie jak kocioł na węgiel, pod warunkiem że podgrzewa wodę do niezbyt wysokiej temperatury – im cieplejsza jest woda zasilająca grzejniki, tym więcej energii elektrycznej potrzeba do napędu pompy ciepła.
Dlatego jeżeli decydujemy się na ogrzewanie nią, warto zmienić projekt instalacji c.o. tak, by dostosować ją do zasilania wodą o zdecydowanie niższej temperaturze – najlepiej poniżej 40oC (zamiast przyjętych w projekcie 70oC). Skutkiem tego będzie znaczne zwiększenie powierzchni grzejników i wynikająca z tego ich wyższa cena. Najlepiej byłoby więc zastąpić je instalacją ogrzewania podłogowego, z zasady zasilanego wodą o niskich parametrach. Wprawdzie jest to system droższy od instalacji ze zwykłymi grzejnikami płytowymi, ale w przypadku gdy ich powierzchnia musi być znacznie zwiększona, różnica w cenie może być minimalna.
Ogrzewanie pompą ciepłą – wady i zalety
Tak czy inaczej, instalacja grzewcza będzie o kilka tysięcy złotych droższa niż w najtańszym wariancie odpowiednim do zasilania kotłem gazowym czy na paliwo stałe. Do tego pompa ciepła jest o co najmniej kilkanaście tysięcy złotych droższa od tych urządzeń. Za to jest bardzo wygodna – nie wymaga zakupu paliwa, jest urządzeniem w pełni zautomatyzowanym i bezobsługowym, w dodatku nie generuje spalin, więc w domu nie jest potrzebny komin.
Ekologiczne podgrzewanie wody w instalacji grzewczej
Pompy ciepła mogą podgrzewać wodę w instalacji grzewczej energią pozyskiwaną z otoczenia – zakumulowaną w gruncie, wodzie albo w powietrzu. Ze względu na to, że możliwość wykonania instalacji do odbioru ciepła w zbiorniku wodnym jest rzadko spotykana, popularne są jedynie pompy powietrzne i gruntowe. Pompa ciepła nie potrzebuje paliwa. By jej używać, wystarczy energia elektryczna. Jest ona niezbędna do napędu sprężarki, dzięki której możliwe jest uzyskiwanie wysokiej temperatury czynnika grzewczego odbierającego energię z otoczenia o niskiej temperaturze oscylującej wokół 0oC. Pompa, w przeciwieństwie do urządzeń spalających paliwo, nie potrzebuje komina (można na nim zaoszczędzić).
Można ją ustawić w pomieszczeniu, które nie musi spełniać żadnych konkretnych wymagań. Szukając dla niej miejsca, należy brać pod uwagę jedynie możliwość swobodnego dostępu do jej podzespołów i generowany przez nią hałas, który wprawdzie nie jest duży, ale w znajdującej się tuż obok sypialni mógłby być dokuczliwy. W wybranym przez nas domu nie ma żadnego problemu z ustawieniem pompy ciepła w pomieszczeniu przeznaczonym na kotłownię. Gdyby miała to być pompa powietrzna, wstawilibyśmy tam tylko zasobnik c.w.u. i urządzenia niezbędne do działania instalacji grzewczej – armaturę, pompy, rozdzielacze, naczynia kompensacyjne – bo większość pomp powietrznych to urządzenia przeznaczone do zainstalowania na zewnątrz, koło domu. Na własnej działce zawsze znajdzie się na to miejsce.
Gruntowa czy powietrzna pompa ciepła?
Pompy gruntowe, ze względu na w miarę stabilną temperaturę ziemi na głębokości co najmniej 1,5 m pod jej powierzchnią, uzyskują wyższą efektywność (uśrednioną dla całego sezonu grzewczego) niż pompy odbierające energię z powietrza atmosferycznego, którego temperatura w naszym klimacie zmienia się w dużym zakresie. W dodatku wyższą efektywność uzyskują mimo braku kosztownych rozwiązań niezbędnych do uzyskania wysokiej efektywności pomp powietrznych, takich jak technologia inwerterowa. Jednak sporo kosztuje niezbędna do odbioru ciepła z gruntu instalacja – kolektor gruntowy. W rezultacie nawet najlepsza pompa powietrzna jest tańsza od przeciętnego systemu z pompą gruntową.
Niższa efektywność pomp powietrznych niż gruntowych, czyli wyższy pobór energii elektrycznej w celu dostarczenia do domu określonej ilości ciepła, nie oznacza, że jest to rozwiązanie mniej opłacalne. Różnica w cenie obu systemów może być na tyle duża, że niższe wydatki na eksploatację ogrzewania z pompą gruntową nie zrekompensują wyższej ceny wykonania sytemu w czasie krótszym niż kilkanaście lat. Oczywiście będzie to zależeć od zmian cen prądu w przyszłości. Jeśli znacznie wzrosną, zakup pompy gruntowej okaże się dobrą inwestycją.
Działanie gruntowej pompy ciepła
Wymiennik gruntowy potrzebny do odbierania ciepła z ziemi to umieszczone w niej rury tworzące pętle, w których krąży ciecz, najczęściej wodny roztwór glikolu, potocznie nazywany solanką. Temperatura solanki przepływającej przez parownik pompy ciepła spada poniżej temperatury gruntu – na skutek odbioru energii przez płyn w wewnętrznym obiegu sprężarkowym (chłodniczym) pompy. Dzięki temu solanka docierająca do wymiennika gruntowego może odbierać ciepło z gruntu o temperaturze bliskiej 0oC i dostarczać je do parownika.
Gruntowa pompa ciepła z kolektorem poziomym
Wymiennik gruntowy może mieć postać kolektora poziomego – z rur zakopanych w ziemi na głębokości 0,2-0,5 m poniżej granicy przemarzania gruntu, ale jeśli na nieco mniejszej głębokości znajduje się akurat ciek wodny, najlepiej umieścić je właśnie w nim. Układa się je w formie wężownicy (meandrów) z zachowaniem określonych odstępów między sąsiadującymi odcinkami. Nie powinny być mniejsze niż 0,4 m ani większe niż 1,2 m – dostosowuje się je do rodzaju gruntu, z którego wynika szybkość uzupełniania w nim ciepła. Jest ona związana z wilgotnością – im więcej wody, tym lepiej. Odstępy między rurami powinny być tym większe, im dłużej powierzchnia gruntu bywa zamarznięta. Moc cieplna wymiennika w postaci kolektora poziomego zależy od wielkości powierzchni gruntu, na którym są ułożone rury. Aby uzyskać moc 11,9 kW, kolektor poziomy w gruncie piaszczystym suchym należy wykonać na obszarze 1190 m2, w wodonośnym wystarczy 275-314 m2. Niewątpliwie jest do tego potrzebna dość duża działka.
Gruntowa pompa ciepła z kolektorem pionowym
Gdy działka nie jest taka jak opisana wyżej, można wykonać kolektor pionowy. Niestety, jest on nawet dwukrotnie droższy od poziomego, za to pompa ciepła uzyskuje nieco wyższą efektywność, więc tańsza jest jej eksploatacja. Rury umieszcza się wtedy w odwiertach głębokości 40-150 m – w każdym odwiercie jedną, ewentualnie dwie pętle, nazywane sondami geotermalnymi. Odległość między odwiertami głębokości do 50 m nie powinna być mniejsza niż 5 m, a w przypadku głębszych – 8-15 m. Powinny być rozmieszczone w linii prostopadłej do kierunku przepływu wód podskórnych. W tym wypadku ważna jest łączna długość wymiennika. W celu uzyskania mocy 11,9 kW w gruncie wyłącznie piaszczystym suchym trzeba zrobić odwierty o łącznej długości co najmniej 990 m, a w wodonośnym 397-476 m.
Ogrzewanie pompą ciepła [FILM]:
Nie da się ukryć, że wykonanie kolektora gruntowego jest dość kłopotliwe i kosztowne. Z tego względu coraz większą popularność zdobywają pompy powietrzne, w których wymiana ciepła między płynem roboczym a powietrzem odbywa się w wymienniku znajdującym się w obudowie urządzenia i nie ma potrzeby robienia w tym celu dodatkowej instalacji.
Pompa ciepła ze wspomaganiem
Ze względu na wysoki koszt zakupu pompy ciepła i wykonania wymiennika gruntowego zwykle do ogrzewania domu stosuje się urządzenie o mocy nominalnej o 20-30% mniejszej od mocy obliczeniowej określonej dla najniższej temperatury występującej na obszarze, na którym znajduje się ogrzewany budynek. W rzadko występującej sytuacji, gdy temperatura na zewnątrz jest niższa niż -15oC, działanie pompy ciepła może wspomóc zamontowana w niej grzałka elektryczna. W naszym przypadku wystarczająca byłaby pompa ciepła o mocy 8 kW z grzałką 3 kW. W podobny sposób postępuje się, dobierając pompę powietrzną. W tym wypadku dochodzi jeszcze problem niestabilnej temperatury powietrza i związanych z tym dużych zmian wydajności cieplnej i efektywności pompy (są tym niższe, im niższa jest temperatura powietrza, od którego pompa odbiera ciepło). Dlatego opłaca się wybrać pompę, która osiąga wymaganą moc przy temperaturze powietrza na przykład -7oC, a poniżej tej wartości jest wspomagana przez grzałkę elektryczną (może być też inne urządzenie grzewcze, najlepiej uruchamiane automatycznie).
Wybór pompy ciepła do opisanego domu
W naszym przypadku za ekonomicznie optymalny można uznać zakup powietrznej pompy ciepła, która przy temperaturze powietrza -7oC pozwala uzyskać wydajność cieplną mniej więcej 7 kW. Są jednak różne warianty pomp powietrznych (znaczne różnice występują między pompami ze sprężarkami inwerterowymi i o stałej wydajności) i dlatego w celu wyboru najlepszego rozwiązania należałoby przeanalizować sposób pracy konkretnego modelu, najlepiej posługując się programem komputerowym do doboru pomp ciepła. Dopiero na podstawie uzyskanych wyników symulacji poboru energii, w konfrontacji z cenami branych pod uwagę urządzeń, można ocenić, jaki wybór jest najlepszy.
