Pompa ciepła powietrze-woda - wybór urządzenia i koszty

2022-04-20 10:40
Pompa ciepła - ekologiczne źródło energii
Autor: Piotr Mastalerz

Pompa ciepła powietrze-woda pozwoli na ekologiczne - i ekonomiczne! - ogrzanie domu. Dowiedz się, na co zwrócić uwagę przy jej wyborze oraz ile może kosztować ogrzewanie domu pompą ciepła powietrze-woda.

Popularność powietrznych pomp ciepła wynika z powszechnej dostępności dolnego źródła ciepła, jakim jest powietrze. Brak konieczności wykonania wymiennika gruntowego oznacza znacznie mniejszy zakres prac i przekłada się na niższy koszt inwestycji. Większość pomp ciepła powietrze-woda dostępnych na rynku to urządzenia inwerterowe, czyli płynnie dopasowujące swoją moc do aktualnego zapotrzebowania energetycznego budynku, dzięki czemu ich eksploatacja również nie jest droga. Zdecydowana większość dysponuje funkcją chłodzenia aktywnego bez konieczności rozszerzania automatyki. Najnowsze urządzenia pracują bardzo cicho.

Rodzaje pomp ciepła powietrze-woda

Powietrzne pompy ciepła występują w kilku odmianach różniących się pod względem:

  • budowy i typu: monoblok (parownik i skraplacz w jednej obudowie) albo split (parownik i skraplacz w oddzielnych obudowach);
  • sposobu pracy sprężarki: pompy ciepła powietrze-woda on/off oraz pompy ciepła powietrze-woda o modulowanej mocy grzewczej (inwerterowe).

Wybierając pompę ciepła powietrze-woda, należy podjąć decyzję, w jakim układzie ma ona pracować. Do wyboru są układy:

  • monowalentny – pompa ciepła powietrze-woda jest jedynym źródłem ciepła i musi pokryć 100% zapotrzebowania budynku na ciepło w każdych warunkach pogodowych;
  • biwalentny monoenergetyczny – pompa ciepła powietrze-woda jako samodzielne urządzenie grzewcze dostarcza ciepło do określonej temperatury zewnętrznej – punktu biwalentnego (na przykład -8°C), poniżej tej temperatury jest wspomagana przez drugie źródło ciepła korzystające z tej samej formy energii końcowej, na przykład grzałką elektryczną wbudowaną w pompę ciepła;
  • biwalentny równoległy – pompa ciepła powietrze-woda jako jedyne urządzenie grzewcze dostarcza ciepło do określonej temperatury zewnętrznej – punktu biwalentnego (na przykład -8°C), poniżej tej temperatury jest wspomagana przez drugie źródło ciepła korzystające z innej formy energii końcowej, na przykład kocioł gazowy;
  • biwalentny alternatywny – pompa ciepła powietrze-woda jako jedyne urządzenie grzewcze dostarcza ciepło do określonej temperatury zewnętrznej – punktu biwalentnego (na przykład -8°C), poniżej tej temperatury się wyłącza, a drugie źródło ciepła, korzystające z innej formy energii końcowej, pokrywa całość zapotrzebowania budynku na ciepło.
Pompa ciepła powietrze-woda: koszty
Autor: redakcja Murator.pl Pompa ciepła powietrze-woda typu SPLIT

Dobór mocy grzewczej pompy ciepła powietrze-woda

Najpierw trzeba określić projektowe obciążenie cieplne (Q budynku), czyli moc cieplną potrzebną na pokrycie strat generowanych z budynku w warunkach projektowej temperatury zewnętrznej. W odróżnieniu od mocy grzewczej gruntowych pomp ciepła, która jest w miarę stała przez cały sezon grzewczy, moc pomp ciepła woda-powietrze zmienia się w dość dużym zakresie wraz ze zmianą temperatury powietrza zewnętrznego będącego dolnym źródłem ciepła – jest tym mniejsza, im powietrze jest zimniejsze, co oznacza, że maleje wraz ze wzrostem zapotrzebowania na nią. To oczywiście problem, ale dający się rozwiązać na przykład przez zastosowanie technologii wtrysku gorącej pary lub szczytowego źródła ciepła w postaci grzałki elektrycznej. Projektowe obciążenie cieplne budynku informuje nas o mocy, jaką musimy dostarczyć, żeby go ogrzewać przy projektowej temperaturze zewnętrznej – na przykład przy -20°C dla III strefy klimatycznej. Natomiast moc pomp ciepła powietrze-woda jest zwykle podawana dla parametrów A2/W35 lub A7/ W35, czyli temperatury powietrza zewnętrznego odpowiednio +2°C lub +7°C przy temperaturze instalacji c.o. +35°C.

Na tej podstawie trudno ocenić, czy jest ona odpowiednia do ogrzewania domu przy temperaturze -20°C. Do tego jest potrzebna znajomość charakterystyki mocy w zależności od temperatury dolnego źródła. Może się bowiem okazać, że pompa ciepła powietrze-woda zapewniająca moc 9,2 kW przy +2°C przy -20°C zapewni już tylko 5 kW, czyli zdecydowanie mniej niż zapotrzebowanie budynku w tych warunkach. Wybierając pompę ciepła powietrze-woda, trzeba mieć świadomość, że na ogół nie opłaca się jej zastosowanie w układzie monowalentnym. W naszym klimacie oznaczałoby to konieczność zakupu urządzenia o bardzo dużej mocy, która rzadko byłaby wykorzystywana. Nawet w przypadku zastosowania technologii inwerterowej oznaczałoby to nieekonomiczną pracę, czyli zwiększony koszt eksploatacji. Dlatego kolejnym działaniem przy doborze pomp powietrznych powinno być określenie optymalnego trybu pracy urządzenia na podstawie danych statystycznych o temperaturze zewnętrznej w regionie, w którym ma działać pompa. Są one dostępne w postaci wykresów.

Pompa ciepła powietrze-woda: koszty
Autor: PORT PC 1. Statystyczne dane klimatyczne do obliczeń cieplnych. Rozkład temperatur zewnętrznych na przykładzie Warszawy

Zapotrzebowanie na ciepło przy ogrzewaniu pompą powietrze-woda

Z rozkładu temperatury zewnętrznej dla Warszawy (wykres 1) wynika, że najczęściej występującą wartością w sezonie grzewczym jest tu +2°C. Poniżej +2°C liczba godzin występowania danej temperatury zewnętrznej zaczyna spadać, lecz w dalszym ciągu stanowi dużą wartość. Aż do temperatury -8°C. Liczba godzin występowania temperatury niższej niż -8°C jest niewielka. Już z tego można wyciągnąć wniosek, że ilość energii potrzebnej do ogrzewania domu, gdy temperatura na zewnątrz spadnie poniżej -8o C, będzie nieduża. Możemy się jeszcze pokusić o jej obliczenie. Uwzględniając liczbę godzin z daną temperaturą zewnętrzną i zapotrzebowanie budynku na ciepło, jesteśmy w stanie określić, jaką ilość ciepła musimy przekazać do budynku przy określonych wartościach temperatury zewnętrznej. To pozwala obliczyć jego procentowy udział w całkowitym zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania budynku. Wyniki obliczeń przedstawia (wykres 2). Wynika z nich, że ilość energii do ogrzewania budynku w Warszawie przy temperaturze zewnętrznej poniżej -8°C stanowi niespełna 3% całkowitego zapotrzebowania. Dla domu o rocznym zapotrzebowaniu na energię 10 tys. kWh oznacza to zaledwie 300 kWh. Taka ilość ciepła dostarczonego przez zwykłą grzałkę elektryczną kosztuje około 180 zł. Pozwala to uznać, że dobór pompy powietrznej o mocy większej niż wystarczająca przy -8°C jest nieopłacalny, a uzasadnionym ekonomicznie rozwiązaniem jest zastosowanie układu biwalentnego. W przypadku nowego domu – bez zainstalowanego wcześniej źródła ciepła – najlepiej zdecydować się na układ monoenergetyczny.

Pompa ciepła powietrze-woda: koszty
Autor: PORT PC 2. Rozkład energii wymaganej (ciepła) do ogrzania budynku na przykładzie Warszawy
Pompa ciepła powietrze-woda: koszty
Autor: redakcja Murator.pl 3. Charakterystyka mocy grzewczych pomp ciepła i obciążenia cieplnego budynku

Koszt ogrzewania pompą ciepła powietrze-woda

Założenia wyjściowe:

  • projektowe zapotrzebowanie budynku na ciepło 8 kW (budynek nowy 160 m2 , współczynnik strat ciepła 50 W/m2 );
  • projektowa temperatura instalacji 35°C; III strefa klimatyczna (Warszawa);
  • zużycie c.w.u. 4 os. 200 l/dobę, 4000 kWh/rok;
  • koszt 1 kWh prądu elektrycznego: 0,58 zł.

Do zaprezentowania metody doboru pompy ciepła powietrze-woda posłużą nam wykresy mocy grzewczej przykładowej pompy ciepła typu split. Porównamy 3 warianty doboru (trzy pompy ciepła powietrze-woda o różnych mocach grzewczych). Wariant 1. oraz wariant 2. obrazują dobór urządzenia do pracy w trybie monoenergetycznym, natomiast wariant 3. – pracę w trybie monowalentnym (wykres 3).

Pompa ciepła M 1/2021
Autor: Piotr Mastalerz

W wariancie 1. pompa ciepła powietrze-woda pokrywa zapotrzebowanie budynku do -8°C na zewnątrz. Stopień pokrycia mocy przy projektowej temperaturze zewnętrznej przez pompę ciepła wynosi 56%. Oznacza to, że przy temperaturze zewnętrznej -20°C pompa będzie musiała być wspomagana przez szczytowe źródło ciepła o mocy około 3,5 kW. Analizując jednak liczbę godzin występowania poszczególnych wartości temperatury w przyjętej strefie klimatycznej zauważamy, że stopień pokrycia zapotrzebowania na ciepło budynku przez pompę ciepła wynosi 98%, a tylko 2% pochodzi ze szczytowego źródła ciepła. Wynika to z tego, że temperatura poniżej punktu biwalentnego (-8°C) w omawianym regionie występuje bardzo rzadko.

W wariancie 2. pompa ciepła powietrze-woda ma wyższą moc grzewczą niż w wariancie 1. i pokrywa zapotrzebowanie budynku do temperatury zewnętrznej -12°C. Stopień pokrycia mocy przy projektowej temperaturze zewnętrznej przez pompę ciepła wzrasta do 62%, moc szczytowego źródła ciepła przy projektowej temperaturze zewnętrznej spada do 3 kW, lecz całkowite koszty eksploatacyjne nie spadają znacznie, bo tylko o 116 zł/rok. Natomiast koszt inwestycyjny w porównaniu z wariantem 1. rośnie o 2470 zł, co stanowi już znaczną różnicę.

Pompy ciepła NIBE
Autor: NIBE

Wariant 3. Wybierając monowalentny tryb pracy, potrzebowalibyśmy pompy ciepła powietrze-woda, która przy -20°C pokrywa 100% zapotrzebowania energetycznego budynku, czyli przy -20°C osiąga moc grzewczą ≥ 8 kW. Taka pompa ciepła w ciągu sezonu grzewczego nie potrzebowałaby wspomagania. Spodziewany zysk wynikający z braku pracy grzałki elektrycznej w sezonie zimowym okazuje się jednak niewielki i nie rekompensuje kosztów związanych z zakupem takiego urządzenia. Szacowany całkowity koszt eksploatacji przy wyborze wariantu 3. jest tylko o 35 zł niższy od wariantu 2. oraz o 151 zł niższy od wariantu 1. Natomiast koszt inwestycyjny w porównaniu z wariantami 1. i 2. jest większy o blisko 10 tys. zł.

Pompa ciepła powietrze-woda - cena

Tabela - Porównanie różnych wariantów wybory pomp ciepła powietrze-woda (wartości szacunkowe)

wariant 1 wariant 2 wariant 3
Moc grzewcza pompy ciepła A2/W35 8,4 kW 9,2 kW 13,1 kW
Punkt biwalentny -8oC -12oC brak
Stopień pokrycia energetycznego z PC 98% 99% 100%
Stopień pokrycia mocy szczytowej z PC 56% 62% 100%
Koszt eksploatacji grzałki elektrycznej 51 zł 75 zł 0 zł
Koszt eksploatacji samej pompy ciepła 3178 zł 3138 zł 3178 zł
Całkowity koszt eksploatacji 3329 zł 3213 zł 3178 zł
Koszt inwestycji (cena katalogowa netto) 23858 zł 26328 zł 35604 zł

Jak wybrać dobrą pompę ciepła powietrze-woda

Powyższy przykład pokazuje, że dobór powietrznych pomp ciepła do pracy w trybie monowalentnym – bez wspomagania grzałką – nie zawsze się opłaca przez to, że powoduje znaczny wzrost kosztów inwestycyjnych. Droższa jest pompa ciepła powietrze-woda o większej mocy, a do tego może jeszcze dojść konieczność zastosowania innych, droższych elementów instalacji, takich jak zbiornik buforowy, którego zadaniem jest stabilizacja pracy pompy (dzięki niemu zmniejsza się liczba cykli pracy sprężarki), czy większy zbiornik c.w.u. Może się też okazać, że na większą pompę ciepła brakuje miejsca i jest ona głośniejsza. Oczywiście dobór pompy ciepła powietrze-woda o za małej mocy skutkuje z kolei zbyt dużym udziałem szczytowego źródła ciepła, co może być przyczyną wysokich wydatków na ogrzewanie. Dlatego ważne jest, żeby podczas wyboru pompy uwzględnić wszystkie dostępne dane. Generalnie zaleca się projektowanie układów z powietrzną pompą ciepła powietrze-woda, tak żeby jej udział w pokryciu zapotrzebowania energetycznego budynku wynosił przynajmniej 95%. Zwróćmy jednak uwagę, że choć w powyższym przykładzie warunek ten został spełniony we wszystkich wariantach, to jednak różnice między opłacalnością ich stosowania są znaczne. Tym, na co należy jeszcze zwrócić uwagę w przypadku powietrznych pomp ciepła, są kwestie poziomu mocy akustycznej pompy ciepła i hałasu.

Pompa ciepła - Czym ogrzewać dom
Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Podziel się opinią
Grupa ZPR Media sprzeciwia się głoszeniu opinii noszących znamiona mowy nienawiści przepełnionych pogardą czy agresją. Jeśli widzisz komentarz, który jest hejtem, powiadom nas o tym, klikając zgłoś. Więcej w REGULAMINIE