Wybieramy pompę ciepła - budowa, rodzaje, moc i efektywność

Pompy ciepła to jedne z najnowocześniejszych urządzeń grzewczych. Do ogrzewania domów wykorzystują ciepło gruntu, wody lub powietrza, za które nie trzeba płacić. 

Pompa ciepła - ciepło z gruntu, wody i powietrza

Pompa ciepła umożliwia wykorzystanie do ogrzewania domu darmowej energii czerpanej ze środowiska - z gruntu, wody lub powietrza. Przekazywanie ciepła z zimnego otoczenia do instalacji grzewczej, w której temperatura jest wyższa (czyli z tak zwanego dolnego do górnego źródła ciepła), jest możliwe dzięki doprowadzeniu do pompy energii napędowej. W powszechnie stosowanych sprężarkowych pompach ciepła jest to energia elektryczna napędzająca sprężarkę. Sama pompa nie wytwarza ciepła, jeśli nie liczyć niewielkiej jego ilości powstającej podczas pracy sprężarki.

Zobacz galerię 2 zdjęcia

Autor: archiwum muratordom

Pompa ciepła zajmuje niewiele więcej miejsca niż kocioł gazowy. Niektóre modele, tak zwane kompaktowe, mają wbudowany zasobnik ciepłej wody użytkowej.

Zobacz galerię 2 zdjęcia

Autor: archiwum muratordom

Pompa ciepła zajmuje niewiele więcej miejsca niż kocioł gazowy. Niektóre modele, tak zwane kompaktowe, mają wbudowany zasobnik ciepłej wody użytkowej.

Zwiększenie temperatury płynu pośredniczącego w wymianie ciepła, nazywanego czynnikiem roboczym, następuje w wyniku przemian termodynamicznych zachodzących w pompie zgodnie z zasadą tak zwanego parowego obiegu Lindego – tą samą, na której opiera się działanie popularnych chłodziarek i klimatyzatorów. Urządzenie wykorzystuje zjawisko pobierania ciepła w niskiej temperaturze podczas odparowywania płynu, a następnie, po sprężeniu pary, skraplania z oddawaniem ciepła.

Typowa sprężarkowa pompa ciepła składa się przede wszystkim z dwóch wymienników ciepła – parownika i skraplacza – oraz ze sprężarki i zaworu rozprężnego. Wszystkie te elementy połączone są rurami, w których krąży czynnik roboczy.

Typy pomp ciepła

Te najczęściej stosowane do ogrzewania domów można sklasyfikować w zależności od sposobu pozyskiwania ciepła i przekazywania go do pomieszczeń na urządzenia typu:

• solanka/woda – odbierają ciepło z gruntu za pomocą wymiennika gruntowego, w którym krąży trudno zamarzający roztwór glikolu (nazywany solanką), pośredniczący w wymianie ciepła między gruntem a czynnikiem roboczym pompy. Ciepło ze skraplacza ogrzewa wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania; 
• bezpośrednie parowanie/woda – gruntowy wymiennik ciepła jest jednocześnie parownikiem pompy, a więc w ułożonych w ziemi rurach krąży czynnik roboczy, który w nich odparowuje. Dzięki wyeliminowaniu roztworu glikolu i dodatkowego wymiennika pośredniczącego w wymianie ciepła uzyskuje się większą sprawność systemu. Ciepło ze skraplacza ogrzewa wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania; 
• bezpośrednie parowanie/bezpośrednie skraplanie – gruntowy wymiennik ciepła jest jednocześnie parownikiem pompy, a instalacja grzewcza (wodne ogrzewanie podłogowe) jest skraplaczem. Ani w wymienniku gruntowym, ani w instalacji grzewczej nie ma płynu pośredniczącego w wymianie ciepła, dzięki temu efektywność tej pompy jest największa; 
• woda/woda – parownik pompy jest ogrzewany wodą czerpaną ze studni, rzeki lub jeziora. Ciepło ze skraplacza ogrzewa wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania; 
• powietrze/woda – parownik pompy jest ogrzewany powietrzem. Ciepło ze skraplacza ogrzewa wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania; 
• powietrze/powietrze – parownik pompy jest ogrzewany powietrzem. Ciepło ze skraplacza ogrzewa powietrze nawiewane do pomieszczeń; 
• woda/powietrze – parownik pompy jest ogrzewany wodą. Ciepło ze skraplacza ogrzewa powietrze nawiewane do pomieszczeń.

Moc i efektywność pompy ciepła

Moc pompy ciepła zależy m.in. od właściwości dolnego źródła i parametrów pracy instalacji grzewczej. Nie można zatem dokładnie stwierdzić, jaką moc grzewczą ma konkretne urządzenie. Za każdym razem trzeba ją określić, wykonując obliczenia oparte na pewnych założeniach. Nie oznacza to jednak, że w praktyce moc będzie dokładnie taka, jak wyszło z obliczeń. Co więcej, może się ona zmieniać podczas eksploatacji urządzenia.

W zależności od rodzaju gruntu jego wydajność cieplna wynosi od 10 do 50 W/m² – najmniejsza jest wtedy, gdy ziemia jest sucha i piaszczysta, największa – gdy jest mokra. Ważne jest też nasłonecznienie gruntu – nie powinien być zacieniony.

Do określania efektywności pomp ciepła służy współczynnik wydajności grzejnej COP. Jest to stosunek ilości ciepła uzyskanego w skraplaczu pompy do zużytej energii napędowej. Jeśli COP pompy jest równy 4, to znaczy, że w celu uzyskania 1 kWh energii cieplnej trzeba dostarczyć do pompy 0,25 kWh energii elektrycznej.

Efektywność zależy nie tyle od konstrukcji pompy, ile od warunków, w jakich pracuje. Jest tym większa, im wyższa jest temperatura jej dolnego źródła ciepła i im niższa jest temperatura górnego źródła ciepła. Inaczej mówiąc, pompa zużywa tym mniej energii elektrycznej, im mniejsza jest różnica temperatury między dolnym i górnym źródłem.

Z tego względu najwyższy współczynnik efektywności mają pompy, których dolnym źródłem ciepła jest woda gruntowa – jej temperatura przez cały rok wynosi 8-10^oC. Grunt na głębokości, na której układa się rury wymiennika, ma zimą temperaturę około 5^oC, ale pod koniec zimy może ona spaść do 0^oC, więc efektywność pompy gruntowej jest mniejsza niż wodnej. Nieco wyższy współczynnik COP mają pompy z bezpośrednim odparowaniem, bo nie występują w nich straty wynikające z zastosowania czynnika pośredniczącego w wymianie ciepła. Najmniejszą efektywność mają powietrzne pompy ciepła, bo, jak wiadomo, temperatura powietrza zimą jest w Polsce niższa niż 0^oC, a bywa nawet niższa od -20^oC.

Ze względu na zależność efektywności pompy ciepła od temperatury górnego źródła ciepła instalacja grzewcza współpracująca z pompą ciepła powinna być zasilana wodą o temperaturze niższej niż instalacja z konwencjonalnym kotłem grzewczym. Zwykle jest to ogrzewanie podłogowe zaprojektowane tak, by temperatura zasilającej go wody nie była wyższa niż 35^oC. Wtedy współczynnik COP pompy może być większy od 4. Gdyby pompa zasilała instalację o parametrach 60/50^oC (z grzejnikami ściennymi), jej współczynnik COP wynosiłby mniej więcej 2,5, co znaczy, że zużywałaby o blisko 40% więcej energii elektrycznej. Nie oznacza to, że pompa ciepła nie może współpracować ze zwykłymi grzejnikami. Jednak ich rozmiary, dobrane do parametrów wody grzewczej dostarczanej przez pompę, muszą być odpowiednio większe niż w przypadku współpracy z kotłem.

Gdzie wstawić pompę ciepła?

Ze względów praktycznych, a więc z powodu jej gabarytów oraz konieczności zastosowania zasobnika ciepłej wody użytkowej i osprzętu pompę ciepła na ogół instaluje się w osobnym pomieszczeniu technicznym. Nie musi ono spełniać żadnych wymagań poza wymiarami umożliwiającymi dostęp do wszystkich podzespołów.

Ostatnio pojawiły się na rynku kompaktowe pompy ciepła z wbudowanym zasobnikiem ciepłej wody użytkowej. Wyglądają one jak duże lodówki i z założenia są przeznaczone do ustawienia w pomieszczeniach użytkowych, na przykład w kuchni. Odgłosy pracy pompy ciepła nie są bardziej dokuczliwe niż praca zmywarki do naczyń.

Można także spotkać pompy ciepła przeznaczone do zainstalowania poza domem. Są to pompy powietrzne – ich skraplacze są omywane powietrzem zewnętrznym, więc najwygodniej ustawić je na dworze.
Także pompy gruntowe mogą mieć obudowy umożliwiające usytuowanie ich poza domem, na przykład w studzience wykopanej w ziemi. Warto jednak pamiętać, że pompą mogą się wtedy zainteresować amatorzy cudzej własności, więc lepiej umieścić ją tak, by nie rzucała się w oczy.

Piotr Laskowski