Pompy ciepła gruntowe i powietrzne - jakie są różnice w ich efektywności
Efektywność pompy ciepła zależy od temperatury ośrodka będącego źródłem energii i z tego wynika zasadnicza różnica między pompami powietrznymi i gruntowymi. Dowiedz się, który system ogrzewczy jest bardziej wydajny w naszych warunkach klimatycznych.
Jaki wpływ ma temperatura gruntu i powietrza na efektywność pomp ciepła?
Temperatura na pewnej głębokości pod powierzchnią ziemi, nazywanej głębokością przemarzania (w Polsce od 0,8 do 1,4 m, w zależności od regionu), jest zawsze wyższa od 0oC. Im głębiej, tym temperatura gruntu jest stabilniejsza, bo nie chłodzi go zimne powietrze. Niestety, również mniej się nagrzewa, ponieważ nie działa na niego promieniowanie słoneczne.
Pompa ciepła, odbierając energię zakumulowaną w gruncie, powoduje obniżanie się jego temperatury, ale w przerwach między cyklami jej pracy następuje „regeneracja” – temperatura nieco wzrasta dzięki obecnej pod ziemią wodzie, która jest nośnikiem energii. Gdy gruntowy wymiennik pompy ciepła jest wykonany poprawnie, można przyjąć, że średnia temperatura tego wymiennika, nazywanego dolnym źródłem pompy ciepła, wynosi nieco ponad 0oC.
Natomiast temperatura powietrza, które jest dolnym źródłem ciepła pompy powietrznej, w naszym klimacie osiąga niekiedy nawet 24oC (na północnym wschodzie), choć są rejony (Pomorze Zachodnie), w których dolna granica to -16oC. Na szczęście silny mróz zdarza się u nas dość rzadko. Średnia temperatura powietrza dla sezonu grzewczego w różnych rejonach Polski w latach 2000-2010 oscylowała między 3 a 8oC. Czyli była porównywalna z temperaturą gruntu na głębokości 1,5-2 m. Zatem, wbrew pozorom, pompa powietrzna w naszym klimacie wcale nie jest na z góry straconej pozycji.
Z czego wynika różnica w efektywności pomp ciepła?
Pompy powietrzne osiągają najwyższą efektywność, gdy są wyposażone w sprężarkę o wydajności modulowanej w szerokim zakresie – z inwerterem. W tańszych urządzeniach sprężarka ma stałą moc, a regulacja wydajności pompy ciepła odbywa się przez zmiany częstotliwości jej uruchamiania i wyłączania. Wiąże się to z większym poborem energii i jest przyczyną istotnego problemu.
Pompa ciepła powinna pracować przez cały rok – latem przygotowując ciepłą wodę użytkową, a zimą ogrzewając również pomieszczenia, do czego potrzebna jest większa moc cieplna. A im niższa jest temperatura powietrza będącego źródłem ciepła, tym większą pracę musi wykonywać pompa, by tę moc uzyskać. Temperatura powietrza, z którego pompa czerpie energię, latem nierzadko osiąga 30oC, a zimą spada nawet do blisko -20oC. Zachodzące w pompie ciepła procesy – odparowywanie i skraplanie płynu – przebiegają prawidłowo w ściśle określonej temperaturze pod określonym ciśnieniem zapewnianym przez sprężarkę i zawór rozprężny.
Gdy zmienia się temperatura powietrza, a zatem także parownika, musi się też zmienić ciśnienie. Zoptymalizowanie funkcjonowania podzespołów pompy tak, aby odbywało się to bez zakłóceń w przedziale temperatury obejmującym blisko 50oC, jest trudne. Pomaga w tym właśnie zastosowanie sprężarki o zmiennej wydajności i elektronicznie sterowanego zaworu rozprężnego z dość skomplikowanym układem sterującym. Stosuje się też czynnik roboczy o zwiększonym tak zwanym poślizgu temperaturowym, co umożliwia osiągnięcie wyższej temperatury skraplania, oraz układ dodatkowego wtrysku pary do sprężarki. Wszystko to przekłada się oczywiście na wyższą cenę urządzenia – pompy ciepła powietrze-woda o najlepszych parametrach są o kilkadziesiąt procent droższe od tych o prostej konstrukcji, które nie są zdolne do odbierania energii z powietrza o temperaturze niższej niż kilka stopni poniżej zera.
W pompach gruntowych ten problem nie występuje, bo temperatura gruntu już na głębokości 1 m zmienia się w ciągu roku najwyżej o kilkanaście stopni, a im głębiej, tym jest stabilniejsza.
Wpływ niskiej temperatury na wydajność pompy
W naszym klimacie średnia efektywność systemów ogrzewczych z powietrznymi pompami ciepła jest niższa niż z gruntowymi o blisko 30%. Wynika to z tego, że nośnikiem energii w powietrzu jest głównie para wodna, a powietrze o temperaturze -10oC zawiera jej wielokrotnie mniej niż to o temperaturze 20oC (mroźne powietrze jest „suche”). Dlatego podczas silnego mrozu efektywność pomp powietrznych jest stosunkowo niewielka.
Do tego dochodzą trudności w dopasowaniu wydajności sprężarki do zmieniających się w szerokim zakresie warunków pracy pompy ciepła (zakres zmian temperatury powietrza jest dużo w iększy niż gruntu) oraz konieczność rozmrażania parownika występująca tylko w pompach powietrznych. Na jego zimnej powierzchni wykrapla się bowiem z powietrza para wodna, która w ujemnej temperaturze zamarza – wtedy parownik musi zostać podgrzany w celu usunięcia lodu utrudniającego przepływ powietrza, a to pochłania energię. Warto się zainteresować tym, jak ten problem został rozwiązany w urządzeniu, które chcemy kupić – układ odszraniania powinien być uruchamiany automatycznie wyłącznie w tedy, kiedy jest to niezbędne. Jeśli nie jest dopracowany, efektywność pompy bardzo na tym cierpi.
