Pompa ciepła bez tajemnic. Na czym polega ogrzewanie pompą ciepła i jakie są rodzaje pomp ciepła?
Pompa ciepła to dziś coraz popularniejsze urządzenie grzewcze. Wiele osób nie wie jednak, jaka jest zasada działania pompy ciepła i czemu w ogóle warto takie źródło ciepła rozważyć. Czy opłaca się zakładać pompę ciepła? Jakie są rodzaje pomp ciepła? Wyjaśniamy.
Spis treści
- Na czym polega ogrzewanie pompą ciepła?
- Zasada działania pompy ciepła
- Pompa ciepła – czy warto?
- Wodna, gruntowa i powietrzna, czyli rodzaje pomp ciepła
- Jaki rodzaj pompy ciepła jest najlepszy? Efektywność pompy ciepła
- Jaka moc pompy ciepła do domu będzie optymalna?
- Pompa ciepła – chłodzenie. Czy każda pompa ciepła może chłodzić?
Na czym polega ogrzewanie pompą ciepła?
Wysoka efektywność pomp ciepła wynika z tego, że do ogrzewania wykorzystują one darmowe ciepło pobierane z otoczenia – obecne w ziemi, wodzie lub powietrzu. Najmniej kłopotliwym źródłem ciepła dla pompy jest powietrze. Dostępne wszędzie w wystarczającej ilości i niewymagające wykonywania dodatkowej instalacji umożliwiającej odbieranie od niego ciepła. Dlatego najpopularniejszym obecnie rozwiązaniem są pompy ciepła powietrze-woda – wykorzystujące powietrze do ogrzewania wody zasilającej instalację grzewczą. Pompy gruntowe, czyli solanka-woda, też są warte zainteresowania.
Zasada działania pompy ciepła
W odróżnieniu od kotłów grzewczych pompa ciepła nie spala paliwa. Jest zasilana energią elektryczną (dlatego warto ją łączyć z fotowoltaiką) potrzebną do napędzania najważniejszego podzespołu pompy ciepła – sprężarki. To dzięki niej pompa podgrzewa wodę do temperatury ponad 50°C energią odbieraną od powietrza o temperaturze nawet znacznie poniżej 0°C. Jak to możliwe? Nośnikiem ciepła w wewnętrznym obiegu pompy jest płyn, nazywany czynnikiem chłodniczym, charakteryzujący się tym, że wrze w ujemnej temperaturze. Dzięki temu gwałtownie odparowuje w kontakcie z zimnym powietrzem czy gruntem otaczającymi parownik pompy, tym samym odbierając od nich ciepło (ich temperatura jeszcze bardziej się obniża). W wyniku podniesienia w sprężarce ciśnienia powstającej w ten sposób pary, rośnie jej temperatura. Ciśnienie wytwarzane przez sprężarkę jest na tyle wysokie, żeby para osiągała temperaturę przekraczającą nawet 80°C, czyli umożliwiającą ogrzewanie wody w domowych instalacjach grzewczych. W wyniku oddawania ciepła wodzie w parowniku pompy temperatura czynnika spada i jego para ulega skropleniu. Następnie w zaworze rozprężnym obniżane jest ciśnienie, czego efektem jest dalsze obniżenie temperatury czynnika – do wartości, która umożliwia odbiór ciepła od zimnego otoczenia w parowniku.
- Uzyskaj dodatkowe informacje: Dotacje na pompy ciepła tylko dla ocieplonych domów? Zmiany od 1 kwietnia 2024!
Standardowe pompy ciepła podgrzewają wodę do temperatury 55oC, co w zupełności wystarcza do ogrzewania dobrze ocieplonych, współczesnych domów, w których instalacja grzewcza jest zaprojektowana z myślą o współpracy z pompą ciepła, ewentualnie niskotemperaturowym gazowym kotłem kondensacyjnym. Wówczas jest to najczęściej ogrzewanie podłogowe. W przypadku domów modernizowanych, w których instalacja z tradycyjnymi grzejnikami została zaprojektowana do zasilania przez kocioł grzewczy starego typu, podgrzewający wodę w instalacji do temperatury 80-90oC, jego wymiana na pompę ciepła może spowodować konieczność znacznych przeróbek systemu grzewczego związanych z wymianą grzejników na większe. Grzejniki dobrane do instalacji zasilanej wodą o temperaturze niższej niż 50°C mają powierzchnię grzewczą (a więc także wymiary) blisko dwukrotnie większą niż w przypadku zasilania przez wodę o temperaturze 80°C. Sposobem na uniknięcie związanych z tym niedogodności jest wybór pompy ciepła wysokotemperaturowej, która jest w stanie podgrzewać wodę do 65oC, a gdy z powodu skrajnie niskiej temperatury na zewnątrz potrzebna jest jeszcze wyższa temperatura zasilania, można ją uzyskać przez dogrzewanie wody grzałką elektryczną, w którą jest wyposażona pompa. Jej działanie powoduje wprawdzie zwiększone zużycie energii elektrycznej, ale jeśli nie trwa długo, takie rozwiązanie jest najbardziej ekonomiczne. A w wielu rejonach Polski zimy są łagodne.
Pompa ciepła – czy warto?
Z zasady działania pompy ciepła wynika najważniejszy dla użytkownika efekt – niskie koszty ogrzewania. Z jednej kilowatogodziny energii elektrycznej dostarczonej do pompy powietrze-woda uzyskuje się średnio od ponad trzech do pięciu kilowatogodzin ciepła, bo jego większa część pochodzi z otoczenia. A to oznacza, że ogrzewanie pompą ciepła kosztuje nawet pięciokrotnie mniej niż grzejnikami elektrycznymi!
Ponadto pompa ciepła nie emituje do atmosfery żadnych substancji, więc jest przyjazna dla środowiska. A jeżeli energię elektryczną do jej zasilania pozyskuje się z energii słonecznej dzięki fotowoltaice, to ogrzewanie jest nie tylko „czyste”, lecz także darmowe. Pompa ciepła powietrze-woda to wydatek rzędu 30-40 tys. zł, solanka-woda wraz z instalacją wymiennika gruntowego 45-60 tys. zł.
Bierzmy jednak pod uwagę to, że jeśli planujemy zastosowanie pompy ciepła do ogrzewania nowego domu możemy zrezygnować w nim z wykonywania komina do odprowadzania spalin. Niepotrzebne jest przyłącze gazu czy instalacja zbiornikowa, nie potrzeba miejsca na składowanie opału. Pomieszczenie dla pompy ciepła solanka-woda nie musi spełniać żadnych wymagań formalnych. Trzeba tylko uwzględnić kwestie praktyczne – dostęp do urządzenia i osprzętu (pomp, zaworów). Z tego wszystkiego wynikają spore oszczędności na kosztach inwestycji.
- Sprawdź też: Wymiana pieca na pompę ciepła – to musisz wiedzieć. Czy pompa ciepła nadaje się do starej instalacji?
Wodna, gruntowa i powietrzna, czyli rodzaje pomp ciepła
W zależności od rodzaju dolnego i górnego źródła ciepła wyróżnia się pompy wodne, gruntowe i powietrzne.
Wśród pomp wodnych do wyboru są urządzenia typu:
- woda-woda – parownik pompy jest ogrzewany wodą czerpaną ze studni, rzeki lub jeziora. W skraplaczu ogrzewana jest woda zasilająca instalację grzewczą;
- woda-powietrze – parownik pompy jest ogrzewany wodą czerpaną ze studni, rzeki lub jeziora. Skraplacz ogrzewa powietrze nawiewane do pomieszczeń.
Pompy gruntowe można podzielić na:
- solanka-woda – odbierają ciepło z gruntu za pomocą wymiennika w postaci rury ułożonej w ziemi (poziomo lub pionowo), którą przepływa trudno zamarzający płyn (przez fachowców nazywany solanką, najczęściej jest to jednak wodny roztwór glikolu) pośredniczący w wymianie ciepła między gruntem a parownikiem pompy. W skraplaczu jest ogrzewana woda zasilająca instalację grzewczą;
- bezpośrednie odparowanie-woda – gruntowy wymiennik ciepła jest jednocześnie parownikiem pompy – w rurach ułożonych w ziemi krąży czynnik roboczy, który w nich odparowuje. Nie ma cieczy pośredniczącej w wymianie ciepła, dzięki czemu sprawność systemu może być większa. Skraplacz ogrzewa wodę zasilającą instalację grzewczą;
- bezpośrednie odparowanie-bezpośrednie skraplanie – gruntowy wymiennik ciepła jest parownikiem pompy, a instalacja grzewcza – skraplaczem. Nie ma żadnego czynnika pośredniczącego w wymianie ciepła, dzięki czemu efektywność systemu jest najwyższa.
Wśród pomp powietrznych wyróżniamy pompy:
- powietrze-woda – parownik pompy jest ogrzewany powietrzem tłoczonym przez wentylator. W skraplaczu ogrzewana jest woda zasilająca instalację grzewczą;
- powietrze-powietrze – parownik pompy jest ogrzewany powietrzem tłoczonym przez wentylator. Skraplacz ogrzewa powietrze nawiewane do pomieszczeń.
Obecnie na rynku dominują pompy ciepła powietrze-woda i solanka-woda. Pozostałe rodzaje pomp ciepła nie zyskały aż tak dużej popularności i rzadko się je spotyka w budynkach mieszkalnych.
Jaki rodzaj pompy ciepła jest najlepszy? Efektywność pompy ciepła
Efektywność pompy ciepła i wynikające z niej koszty eksploatacji w dużym stopniu zależą od temperatury ośrodka, z którego pobiera się ciepło – im jest wyższa, tym mniej się płaci za energię elektryczną do napędu pompy. Największą efektywność mogą osiągać pompy korzystające z ciepła otwartych zbiorników wodnych i studni. Czerpana z ich dna woda ma zimą stosunkowo wysoką, stabilną temperaturę (10°C nawet w czasie silnego mrozu). Jednak woda taka zawiera dużo zanieczyszczeń powodujących odkładanie się kamienia i korozję wymiennika ciepła, a ilość przepływającej przez niego wody musi być stosunkowo duża. Dlatego takie rozwiązanie jest kłopotliwe i w przypadku niewielkich instalacji w domach jednorodzinnych niezbyt efektywne ekonomicznie. Uzdatnianie wody wymaga bowiem kosztownej instalacji, jej przepompowywanie pochłania dużo energii, a w przypadku korzystania ze studni (czerpnej i zrzutowej) nierzadko po pewnym czasie eksploatacji pojawia się problem z ich wydajnością. Dobry efekt można uzyskać dzięki ułożeniu rury wymiennika na dnie zbiornika wodnego, na przykład stawu. Ale mało kto ma taką możliwość. Powszechnie stosowane są więc wymienniki ciepła w gruncie. Jeśli jest on mokry (gliniasty), może dostarczać niemal tyle samo energii, co woda. Można założyć, że temperatura parownika pompy gruntowej nie będzie niższa niż 0°C przez cały czas jej pracy.
Najlepsze efekty osiąga się dzięki umieszczeniu rury wymiennika w pionowych odwiertach o głębokości kilkudziesięciu metrów, choć jeszcze kilka lat temu popularne było układanie rur poziomo na głębokości tuż poniżej strefy przemarzania gruntu. Wykonanie tego wariantu było tańsze, ale zapewniało mniejszą efektywność pompy. Obecnie powszechnie stosowane są wymienniki pionowe. Pompa ciepła w takim wariancie pozwala uzyskiwać średnioroczny współczynnik efektywności powyżej 4, co oznacza, że dostarcza ponad czterokrotnie więcej energii cieplnej niż pobiera elektrycznej.
W ostatnich latach zdecydowanie najpopularniejsze stały się pompy ciepła powietrze-woda, choć ich efektywność jest niższa niż pomp wodnych i gruntowych. Wynika to z rachunku ekonomicznego – pompy powietrzne są znacznie tańsze – ale też z łatwości ich zainstalowania. Takie urządzenie nie potrzebuje dodatkowej instalacji wymiennika ciepła wykonywanej na budowie – jest w całości zmontowane w fabryce. Montaż pompy ciepła powietrze-woda jest możliwy w każdym domu, niezależnie od ilości miejsca i warunków na działce. Koszty instalacji również są najatrakcyjniejsze – sama pompa jest wprawdzie droższa niż porównywalne urządzenia typu solanka-woda i woda/woda, ale nie trzeba dodatkowo płacić za instalację wymiennika ciepła. I choć koszt energii elektrycznej do napędu pompy powietrze-woda jest na ogół wyższy niż pomp gruntowych i wodnych, to w przypadku niewielkich instalacji do domów jednorodzinnych różnica nie jest aż tak duża, żeby móc stwierdzić, że bardziej się opłaca inwestycja w bardziej efektywne, ale o co najmniej kilkanaście tysięcy złotych droższe rozwiązanie z pompą gruntową.
- Dowiedz się więcej: Czy opłaca się pompa ciepła z fotowoltaiką? Ile potrzeba fotowoltaiki do pompy ciepła?
Jaka moc pompy ciepła do domu będzie optymalna?
Wybór pompy ciepła o określonej mocy różni się od wyboru kotła. Zapotrzebowanie budynku na moc do ogrzewania oblicza się dla najniższej występującej na danym obszarze temperatury zewnętrznej podanej w polskiej normie. Gdy wynosi ono X, to wybiera się kocioł o mocy nominalnej zbliżonej do X. Urządzenie spalające paliwo ma ustaloną moc nominalną, którą osiąga niezależnie od warunków pogodowych. Moc pompy ciepła zależy zaś od temperatury ośrodka, który jest jej źródłem ciepła – ziemi albo powietrza. I zwłaszcza w przypadku powietrza ta temperatura znacznie się zmienia. Moc nominalna pompy dotyczy ustalonych warunków, a występujące w praktyce mogą się od nich bardzo różnić.
Co ważne, gdy zapotrzebowanie na moc grzewczą jest znacznie niższe od nominalnej mocy pompy, ta pracuje mniej efektywnie, ponieważ w takich warunkach jej sprężarka często się włącza i wyłącza. Należy więc dążyć do tego, żeby moc nominalna pompy była zbliżona do zapotrzebowania na moc, jakie występuje najdłużej w ciągu sezonu grzewczego. A jest ono na pewno niższe od maksymalnego, które występuje przy podanej w polskiej normie projektowej temperaturze obliczeniowej (od –16 do –24oC, w zależności od strefy klimatycznej).
Niedostatki mocy w najzimniejszym okresie uzupełni wbudowana w pompę grzałka elektryczna. Jej udział w dostarczaniu ciepła nie powinien przekraczać 5%. Orientacyjnie można przyjąć, że optymalna nominalna moc grzewcza pompy jest o 20-30% mniejsza od projektowego obciążenia cieplnego budynku. To jednak zależy od charakterystyki pracy konkretnego modelu oraz warunków klimatycznych i w każdym przypadku powinno być poddane analizie – dobór najlepiej zlecić doradcy technicznemu producenta pompy.
Powietrzne pompy ciepła to urządzenia grzewcze, których montaż nie należy do najprostszych. Planując instalację z pompą ciepła, należy przeanalizować kilka czynników:
- miejsce i rozmiary pomieszczenia,
- lokalizację jednostki zewnętrznej,
- rodzaj instalacji ogrzewania w budynku,
- ewentualne wykorzystanie rewersyjnej pracy pompy ciepła do chłodzenia,
- instalacji zasilania elektrycznego.
Przy wyborze lokalizacji należy pamiętać o tym, że jednostka zewnętrzna generuje hałas i nie powinien on przekraczać określonych wartości na granicy naszej działki. Istotnym aspektem jest odległość pomiędzy jednostką zewnętrzną i wewnętrzną w urządzeniach typu split. Każdy metr instalacji powoduje straty na wydajności urządzenia, w skrajnych przypadkach przez bardzo długie orurowanie nasze urządzenie nie będzie w stanie pokryć strat ciepła budynku. Pompy ciepła są urządzeniami zasilanymi elektrycznie, dlatego przed instalacją należy sprawdzić, czy nasze przyłącze i zabezpieczenia w budynku, są w stanie obsłużyć dane urządzenie. Montaż pompy ciepła to złożony proces i wymaga od instalatora szerokiej wiedzy. Dlatego wybór odpowiedniej firmy jest w tym przypadku kluczowy.
Pompa ciepła – chłodzenie. Czy każda pompa ciepła może chłodzić?
Co ważne, w pompach ciepła powietrze-woda możliwe jest odwrócenie obiegu czynnika chłodniczego w celu odbierania ciepła od wody w instalacji i oddawania go do otoczenia. Dzięki temu pompa ciepła może być wykorzystywana jako klimatyzator chłodzący pomieszczenia. Może się to odbywać za pomocą tej samej instalacji, która zimą służy do ogrzewania, przy czym najlepszy efekt zapewniają klimakonwektory będące alternatywą dla tradycyjnych grzejników.
W przypadku pomp solanka-woda chłodzenie jest realizowane w prostszy sposób – bez udziału sprężarki. Temperatura pod powierzchnią gruntu czy zbiornika wodnego jest latem na tyle niska, że to wystarczy, aby schłodzić czynnik zasilający odbiorniki w budynku i klimatyzować pomieszczenia. Wystarczy do tego praca samych pomp obiegowych w instalacji dolnego źródła i w instalacji grzewczej w domu. Takie chłodzenie nazywa się pasywnym. Nie jest to rozwiązanie standardowo instalowane z każdą pompą ciepła, wymaga dokupienia dodatkowego modułu. Jego zaletą jest to, że pochłania niewiele energii elektrycznej – tylko do zasilania pomp obiegowych i układu sterowania.
- Zobacz galerię: Wzorowa przebudowa starego domu z cegły
Autor: Małgorzata Góra
Większość ścian zewnętrznych pozostawiono murowanych, tylko jedną docieplono i wykończono oblicówką drewnianą
