Ogrzewanie domu pompą ciepła. Jaką pompę wybrać: gruntową, wodną czy powietrzną?
Pompę ciepła stosuje się do ogrzewania domu ciepłem pobieranym z gruntu, powietrza lub zbiorników wodnych. Pompa ciepła zwykle jest napędzana energią elektryczną, ale jej pobór jest dużo mniejszy niż w przypadku grzejników elektrycznych. Działanie jej jest w pełni zautomatyzowane, nie potrzebuje paliwa, nie ma spalin, problemów z kominem i wentylacją i koszty ogrzewania są niewielkie.
Co decyduje o efektywności pompy ciepła?
O tym, jak dużo można zaoszczędzić, zamieniając kocioł na pompę ciepła, decyduje jej efektywność wyrażona współczynnikiem COP, który jest stosunkiem ilości energii przekazywanej do instalacji grzewczej w skraplaczu pompy do ilości pobranej przez nią energii elektrycznej.
Dla pomp stosowanych do ogrzewania pomieszczeń waha się on od 2 do 4 (po uśrednieniu dla całego sezonu grzewczego). Im mniejsza jest różnica temperatury między parownikiem pompy (czyli ośrodkiem, z którego pompa odbiera ciepło) a skraplaczem (czyli temperaturą, do jakiej pompa podgrzewa czynnik grzewczy), tym większa efektywność. Temperatura skraplacza zwykle nie jest niższa niż 40°C, bo tyle potrzeba do działania instalacji grzewczej (niższa temperatura wymagałaby zastosowania urządzeń o bardzo dużej powierzchni wymiany ciepła). A zatem wszystko zależy od temperatury ośrodka, z którego pompa odbiera ciepło: im jest wyższa, tym większy COP i mniejszy koszt ogrzewania.
Energia z wody, gruntu i z powietrza
W miarę stabilną i stosunkowo wysoką temperaturę w sezonie grzewczym mają naturalne zbiorniki wodne, nieco niższą grunt na głębokości poniżej 1 m. Temperatura parownika pompy gruntowej na ogół jest bliska 0°C przez cały czas jej pracy. Staw, rzeka czy studnia głębinowa może zapewnić 10°C nawet w czasie mrozu. Ale do odbioru ciepła z gruntu czy wody potrzebna jest instalacja, której koszt przekracza 20 tys. zł już w przypadku pompy o mocy grzewczej niespełna 10 kW i nie zawsze możliwe lub bardzo trudne jest jej wykonanie (z powodu braku miejsca na działce, niskiego poziomu wód gruntowych, braku zbiornika wodnego w pobliżu).
W takiej sytuacji można się zdecydować na pompę powietrzną. Warto jednak pamiętać, że w czasie mrozu jej efektywność jest stosunkowo niewielka. Dlatego w praktyce koszty ogrzewania nią mogą być nawet dwa razy wyższe niż pompą gruntową.
Powietrzna pompa ciepła - ciepło z powietrza
Do działania nie potrzebuje dodatkowej instalacji do odbioru ciepła, ale nie osiąga tak dużej efektywności jak pompy gruntowe i wodne, bo temperatura powietrza zimą jest stosunkowo niska. Uzyskane ciepło może służyć do ogrzewania wody albo powietrza. Popularne są pompy typu powietrze-powietrze sprzedawane jako klimatyzatory z pompą ciepła (rewersyjne – z mo-żliwością odwróceniu kierunku obiegu czynnika), które latem chłodzą, a zimą grzeją.
Ogrzewanie powietrzną pompą ciepła kosztuje średnio mniej więcej tyle, ile kotłem na gaz ziemny, a gruntową – kotłem na węgiel czy drewno. Ale trzeba brać pod uwagę, że koszty zależą od warunków, w jakich pracuje pompa (od temperatury ośrodka, z którego odbiera ciepło), więc mogą się znacznie różnić. Ogrzewanie pompą ciepła jest znacznie tańsze niż grzejnikami elektrycznymi, kotłem na gaz ciekły (propan) czy olej opałowy, a równie wygodne. Niestety, na jej zakup i instalację trzeba przeznaczyć zdecydowanie większą kwotę. Późniejsza eksploatacja będzie tańsza co najmniej o połowę, dzięki czemu początkowy wydatek zwróci się po kilku latach. Na ceny pomp ciepła wpływa ich moc grzewcza. Instalacja do domu o niewielkim zapotrzebowaniu na ciepło (o mocy do 10 kW) jest o kilkadziesiąt tysięcy złotych tańsza niż do domu, w którym potrzebna jest moc powyżej 20 kW. Dlatego przed zakupem pompy ciepła warto dobrze ocieplić dom.
Autor: Piotr Mastalerz
Jeśli w gospodarstwie domowym zużywa się dużo wody do mycia, można zainwestować w powietrzną pompę ciepła do c.w.u. Ma małą moc i jest niedroga. Podgrzewa wodę ciepłem odebranym z powietrza, osiągając wysoką efektywność latem. Jest dobrym uzupełnieniem instalacji z kotłem c.o. – pompa podgrzewa wodę poza sezonem grzewczym, a za jej działanie płaci się niewiele (latem kilkanaście groszy za 1 kWh).
Gruntowa pompa ciepła - ciepło z gruntu
Odbiera energię z gruntu, ale potrzebna jest do tego specjalna instalacja. Wymiennik poziomy robi się z elastycznej rury, układając ją w gruncie w jednej lub dwóch płaszczyznach albo w spiralę. Aby uzyskać jak najwięcej ciepła, najlepiej ułożyć ją głęboko pod powierzchnią terenu, ale ze względu na koszty i opłacalność robi się to na głębokości tylko trochę większej niż strefa przemarzania (od 0,8 do 1,4 m). Ilość ciepła pobieranego z gruntu zależy głównie od wilgotności gleby. Gęstość strumienia ciepła w gruncie gliniastym wynosi ponad 30 W/m2, a w suchym, piaszczystym – zaledwie 10 W/m2. Powierzchnia wymiennika niezbędna do osiągnięcia mocy grzewczej 10 kW może wynosić od 300 do 1000 m2. Dobry efekt energetyczny uzyskasz, układając rurę wymiennika na dnie zbiornika wodnego. Ze względu na mniejszą ilość potrzebnego miejsca i większą efektywność (dzięki nieco wyższej i stabilniejszej temperaturze gruntu na większej głębokości) lepsze od poziomych są wymienniki w postaci pionowych sond – rur umieszczonych w odwiertach. Taka inwestycja jest droższa, ale może być opłacalna na działkach o bardzo niskim poziomie wód gruntowych, gdzie wymiennik poziomy musiałby mieć bardzo dużą powierzchnię. 1 kW mocy grzewczej uzyskuje się z około 20 m odwiertu. Można ich wykonać kilka, jeśli oddalimy je od siebie o co najmniej 5 m.
Wodna pompa ciepła - ciepło z wód gruntowych i z powierzchniowych
W przypadku dużego zapotrzebowania na ciepło opłaca się je pozyskiwać z wód gruntowych lub powierzchniowych. Zimą ich temperatura waha się między 0 a 10°C, więc wskaźniki energetyczne takiego rozwiązania są jeszcze korzystniejsze niż dla pomp gruntowych. Trzeba jednak brać pod uwagę dodatkowe koszty i problemy wynikające z zanieczyszczenia wody – konieczność jej filtrowania i wymiany korodujących elementów instalacji. Znaczna ilość energii jest potrzebna do przepompowywania wody – do osiągnięcia mocy 10 kW potrzeba jej 2 m3/h o temperaturze 5°C. Należy to uwzględnić przy ocenie efektywności systemu. Z jaką instalacją c.o. Efektywność pompy jest tym większa, im niższa temperatura jej skraplacza, czyli czynnika grzewczego.
Pompa może dostarczać ciepło do instalacji ogrzewania podłogowego, powietrznego i do zwykłych grzejników konwekcyjnych. Ale te ostatnie muszą mieć duże rozmiary, by osiągnąć wymaganą moc przy niskiej temperaturze czynnika grzewczego (40-50°C) – mniej więcej dwukrotnie większe, niż gdy dopływa do nich woda z kotła o temperaturze 70-80°C. Dlatego w instalacjach z pompą ciepła ich stosowanie lepiej ograniczyć. Ogrzewanie podłogowe jest wygodniejsze i jego wykonanie może być tańsze (duże grzejniki są drogie). Dobre efekty uzyskuje się, gdy pompa działa w systemie ogrzewania nadmuchowego – do jego działania wystarczy powietrze o temperaturze do 40°C.
Ciepłem z zimnego otoczenia można ogrzewać pomieszczenia, w których temperatura jest dużo wyższa?
Przepływ ciepła z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka cieplejszego rzeczywiście nie występuje w naturze, ale jest możliwy, jeśli do takiego układu dostarczy się energię napędową.
W pompie ciepła odbywa się to tak: w jej obiegu krąży czynnik roboczy (specjalny płyn) wrzący w temperaturze panującej w ośrodku, z którego odbierane jest ciepło. Odbierając je, czynnik odparowuje w tak zwanym parowniku i już jako gaz jest sprężany. To właśnie do napędu sprężarki jest potrzebna energia z zewnątrz. Na skutek sprężania temperatura czynnika roboczego rośnie do wartości umożliwiającej ogrzanie wody w instalacji c.o. lub powietrza nadmuchiwanego do pomieszczeń. Przepływając przez skraplacz, w którym ciepło trafia do instalacji grzewczej, czynnik roboczy ulega skropleniu i znów staje się cieczą. Przepływa przez element dławiący, w którym w wyniku rozprężenia jego temperatura znacznie się obniża. Następnie wraca do parownika, w którym rozpoczął się cykl pracy pompy.
ZOBACZ TEŻ: Vaillant, pompa ciepła do wszystkich dolnych źródeł ciepła
Prawidłowo dobrana moc grzewcza, to tańsze koszty eksploatacji
Koszty eksploatacji pompy ciepła w dużym stopniu zależą od prawidłowego doboru jej mocy grzewczej. Jeśli jest zbyt duża w stosunku do zapotrzebowania na ciepło, pompa często się włącza i wyłącza, przez co pobiera więcej prądu, a jej podzespoły szybciej się zużywają. Z kolei mniejsza moc sprawia, że przez dłuższy czas pompa pracuje w optymalnych warunkach, ale w okresach szczytowego zapotrzebowania na ciepło nie jest w stanie zapewnić komfortowej temperatury w pomieszczeniach (dlatego pompy mają wbudowane elektryczne grzałki, ale ich działanie sporo kosztuje).
Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie zbiornika buforowego do magazynowania podgrzewanej przez pompę wody. Ciepła woda trafia wtedy do zaizolowanego termicznie zasobnika, który jest niejako „ładowany” energią, a dopiero z niego – do instalacji grzewczej. Pojemność zbiornika jest wielokrotnie większa niż instalacji z samych rur (ze względu na niską temperaturę czynnika grzewczego w instalacjach z pompami ciepła raczej nie stosuje się grzejników, tylko ogrzewanie podłogowe), więc zarówno podgrzewanie, jak i stygnięcie w nim wody trwa dużo dłużej. Dzięki temu pompa pracuje ze swoją nominalną mocą zawsze w długich cyklach, niezależnie od zmian zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń.
Najważniejszy powód stosowania zbiornika buforowego to możliwość zasilania pompy energią elektryczną rozliczaną w tańszej taryfie nocnej (energia w taryfie nocnej jest tańsza niż w całodobowej o przeszło 40%). W ciągu dnia, gdy prąd jest droższy, pompa nie musi pracować, jeśli do ogrzewania wystarczy zapas ciepła w zbiorniku.
