Ważne pytania o pompy ciepła: jaką wybrać, jak dobrać moc pompy, jak ją zainstalować?

Pompy ciepła są bezobsługowe, tanie w eksploatacji i ekologiczne. Gdy wybiera się urządzenie grzewcze do domu, na pewno warto się nimi zainteresować.

Co może być źródłem ciepła dla pompy?

Dolnym źródłem ciepła pompy mogą być powietrze, woda lub grunt. Pompa powietrzna jest najtańszym inwestycyjnie rozwiązaniem dzięki temu, że nie potrzebuje dodatkowej instalacji do odbioru ciepła. Występuje w dwóch wersjach: monoblok i split. Pompę powietrzną typu monoblok montuje się, podobnie jak kocioł, wewnątrz budynku, w pomieszczeniu technicznym albo kotłowni, ale są też takie pompy do zainstalowania poza domem.

• Pompa powietrzna typu split

Urządzenie typu split składa się z dwóch osobnych elementów: jednostki zewnętrznej, zawierającej parownik, wentylator i sprężarkę, oraz wewnętrznej ze skraplaczem, służącej do współpracy z instalacją grzewczą. Jednostki zewnętrzna i wewnętrzna są połączone przewodami, w których krąży czynnik chłodniczy. To on odbiera ciepło od powietrza omywającego parownik znajdujący się w jednostce zewnętrznej i przekazuje je do jednostki wewnętrznej.

Wystawienie na zewnątrz części pompy ciepła zawierającej najgłośniejsze elementy eliminuje źródło hałasu w budynku, ale z drugiej strony niekorzystnie odbija się na pracy pompy. Największym mankamentem tego rozwiązania są zmiany warunków atmosferycznych. Zimą, gdy na zewnątrz spada temperatura, zapotrzebowanie na ciepło rośnie, a wtedy zmniejsza się wydajność powietrznej pompy ciepła. Aby zminimalizować straty, jednostkę zewnętrzną najlepiej ustawić w miejscu osłoniętym od wiatru i nienarażonym na opady deszczu.

• Zewnętrzna monoblokowa pompa powietrzna

Zasady dotyczące usytuowania zewnętrznej monoblokowej pompy powietrznej są takie same jak jak jednostek zewnętrznych pomp typu split.

Wideo: jak działa powietrzna pompa ciepła?

• Pompa ciepła pozyskująca ciepło z wody lub gruntu

Dla pomp ciepła pozyskujących ciepło z wody lub gruntu kaprysy aury nie mają większego znaczenia, ponieważ naturalne zbiorniki wodne oraz grunt na głębokości poniżej 1 m mają w miarę stabilną i stosunkowo wysoką temperaturę w sezonie grzewczym. Staw, rzeka czy studnia głębinowa nawet podczas mrozów mogą mieć temperaturę blisko 10°C, a grunt około 5^oC. Jednak do odbioru ciepła z tych ośrodków jest potrzebna kosztowna instalacja, której wykonanie bywa trudne, a czasem - na przykład z powodu niedostatku miejsca, niskiego poziomu wód gruntowych albo braku zbiornika wodnego w pobliżu - niemożliwe. Dla pompy pobierającej ciepło z wody gruntowej trzeba wybudować dwie studnie głębinowe: czerpalną, do poboru wody zasilającej pompę i zrzutową - do odprowadzenia wody schłodzonej. Studnie muszą być usytuowane co najmniej 15 m jedna od drugiej, tak aby woda schłodzona nie mieszała się z czerpalną. Obie muszą być połączone z tą samą warstwą wodonośną, ale zrzutowa powinna się znajdować za czerpalną, aby strumienie wody się nie mieszały. Kryteriami wyboru tego rozwiązania są jakość i skład wody gruntowej – ze względu na ewentualną korozję urządzenia, oraz głębokość warstwy wodonośnej – bo od niej zależą wymagana głębokość odwiertu (a więc koszt jego wykonania) i późniejsze koszty pompowania wody.

Drogich prac ziemnych wymaga także pompa gruntowa pozyskująca ciepło z gruntu za pomocą kolektora (wymiennika) zbudowanego pod jego powierzchnią z elastycznych rur z tworzywa sztucznego. Wydajność kolektora zależy od rodzaju gruntu i jego nasycenia wodą. Grunt gliniasty pozwala uzyskać trzykrotnie większą wydajność niż suchy. Kolektor może być poziomy lub pionowy. Do wykonania poziomego potrzebna jest jednak znaczna powierzchnia (tym większa, im większą moc ma pompa), a teren, pod którym zostanie on ulokowany, nie może być zacieniony ani obsadzony głęboko ukorzeniającymi się roślinami. Kolektor poziomy umieszcza się w ziemi poniżej strefy przemarzania – w Polsce na głębokości od 0,8 do 1,4 m. Na działkach o małej powierzchni buduje się kolektory pionowe. Instaluje się je w odwiertach podobnych jak te do studni głębinowych, co pociąga za sobą wyższe nakłady finansowe. Za to zapewniają one pompie ciepła bardziej stabilne warunki pracy niż kolektory poziome.

Jaką moc powinna mieć pompa ciepła?

Urządzenie grzewcze, a więc także pompę ciepła, dobiera się w taki sposób, aby jego moc grzewcza była zbliżona do zapotrzebowania budynku na ciepło. Określa się je, wykonując obliczenia zgodnie z polską normą PN-EN 12831 dla temperatury minimalnej obowiązującej w strefie klimatycznej, w której ma pracować urządzenie. Można je też oszacować, posługując się wskaźnikami – 50 W/m2 dla domów dobrze zaizolowanych, 70 W/m2 dla takich o średniej izolacji cieplnej. Stosowanie pompy ciepła w domach słabo izolowanych można uznać za nieopłacalne.

Dobrana pompa ciepła nie powinna mieć mocy większej, niż wynika z obliczeń. Lepiej nawet, gdy jest nieco mniejsza, ponieważ obliczenia wykonuje się dla warunków ekstremalnych (najniższej temperatury w danej strefie klimatycznej), a te występują zaledwie przez kilka dni w roku. Przez większą część sezonu grzewczego temperatura jest wyższa, a więc straty ciepła i wynikające z nich zapotrzebowanie na moc – mniejsze. W związku z tym należy rozważyć dobranie pompy o mniejszej mocy i ewentualne dogrzewanie grzałką elektryczną. Takie rozwiązanie jest wskazane ze względów ekonomicznych oraz eksploatacyjnych. Przewymiarowana pompa nie dość, że jest droższa, to jeszcze pracuje w krótkich, ale częstych cyklach, co przyspiesza zużywanie się elementów sprężarki oraz skokowy wzrost poboru energii w momencie uruchamiania. Dlatego niedoszacowanie mocy pompy ciepła o mniej więcej 20% nie jest błędem. Wystarczy, jeśli urządzenie będzie w stanie pokryć zapotrzebowanie na ciepło dla typowej temperatury w zimie, czyli od 0 do -10°C. Zainstalowana w zbiorniku wody grzałka elektryczna o mocy 6-9 kW będzie wspomagała ogrzewanie zaledwie przez kilka dni w roku, gdy temperatura spadnie poniżej -10°C.

W naszym klimacie ilość energii dostarczonej w ciągu roku przez grzałkę elektryczną wynosi zaledwie 5-10% całej energii dostarczonej przez pompę ciepła.

Rozwiązaniem może być też dodatkowe ogrzewanie domu kominkiem albo zainstalowanie kotła grzewczego włączającego się automatycznie, gdy praca pompy przestaje wystarczać. Moc pompy należy określić dla rzeczywistej temperatury w parowniku i skraplaczu – zależnej od rodzaju ośrodka, z którego będzie odbierane ciepło, i parametrów pracy instalacji c.o. (wartości temperatury, dla których określono moc przedstawioną w danych technicznych urządzenia, nie zawsze im odpowiadają).

Z jaką instalacją grzewczą powinna współpracować?

Pompy ciepła nadają się do współpracy z instalacjami c.o., c.w.u. oraz ciepła technologicznego, czyli potrzebnego do ogrzewania nadmuchowego.

Pompa ciepła pracuje efektywnie, jeśli jej współczynnik COP jest wysoki, a taka sytuacja ma miejsce wtedy, gdy różnica temperatury źródła górnego i dolnego jest niewielka. Ten wymóg czyni pompy ciepła odpowiednim źródłem dla systemów ogrzewania niskotemparaturowego (na przykład płaszczyznowego) oraz systemów przygotowania c.w.u. Z technicznego punktu widzenia pompa ciepła może zasilać także grzejniki konwekcyjne, lecz ekonomicznie taka inwestycja jest nieuzasadniona. Aby dostarczyć do pomieszczeń dostateczną ilość ciepła, grzejniki zasilane wodą grzewczą o niskich parametrach, odpowiednich do efektywnej pracy pompy ciepła, musiałyby mieć znacznie większą powierzchnię niż te zasilane wodą o parametrach charakterystycznych dla kotłów, czyli 70-80^oC. Byłyby droższe i – ze względu na pokaźne wymiary – trudniej byłoby je ulokować we wnętrzach bez uszczerbku dla ich estetyki.

Ogrzewanie podłogowe wymagające zasilania wodą o temperaturze nieprzekraczającej 55^oC oraz ścienne – mniej popularne, ale działające na podobnych zasadach i zasilane także wodą o podobnych parametrach – sprawdzą się znacznie lepiej niż grzejniki. Odpowiednia będzie także instalacja ogrzewania nadmuchowego, w której powietrze nagrzewa się maksymalnie do 40^oC. W układzie z pompą ciepła do c.w.u. ciepło wytworzone przez pompę jest kierowane do wężownicy zasobnika, w którym podgrzewa się woda użytkowa. Jeśli pompa jest typu powietrze-woda i powietrze oddające ciepło w parowniku jest kierowane do pomieszczeń, dodatkowo uzyskuje się efekt ich chłodzenia.

W systemie grzewczym z pompą ciepła wykorzystywaną zarówno do przygotowania c.w.u, jak i do ogrzewania stosuje się zawór trójdrogowy zapewniający priorytet podgrzewania ciepłej wody w zasobniku. W bardziej rozbudowanych układach wykorzystuje się zasobnik buforowy, zwykle o pojemności mniej więcej 200 l. Jego zadaniem jest optymalizacja bezwładności cieplnej systemu, a w konsekwencji wydłużenie cyklu pracy pompy ciepła (okresu między jej kolejnymi włączeniami). Celowość stosowania zbiornika buforowego jako elementu zwiększającego bezwładność cieplną układu jest dyskusyjna w przypadku, gdy pompa ciepła zasila instalację ogrzewania podłogowego ułożoną w całym domu. Masywny jastrych sam ma bowiem dużą pojemność cieplną, dzięki której wychładzanie pomieszczeń następuje powoli. Co innego w instalacjach ze zwykłymi grzejnikami, których bezwładność jest niewielka, lub w systemach biwalentnych, w których pompa ciepła współpracuje jeszcze z innymi źródłami ciepła, takimi jak kolektory słoneczne lub kominek z płaszczem wodnym, bo wytwarzane przez nie ciepło powinno być akumulowane. Dobór konfiguracji systemu grzewczego zależy więc od indywidualnych potrzeb klienta.

Jak wykorzystać pompę ciepła do podgrzewania wody użytkowej?

Do przygotowywania wyłącznie c.w.u najczęściej stosuje się pompy typu powietrze-woda. Mogą być to urządzenia kompaktowe (pompa we wspólnej obudowie z zasobnikiem) albo współpracujące z osobnym zasobnikiem dobieranym w zależności od potrzeb domowników. Można do tego wykorzystać dowolny istniejący zasobnik z wężownicą, który wcześniej współpracował z kotłem (pod warunkiem że wężownica zapewni zadowalającą moc cieplną przy niższej temperaturze zasilania). Pompę ciepła pracującą wyłącznie na potrzeby c.w.u. można dobrać wystarczająco precyzyjnie, uwzględniając charakter rozbiorów ciepłej wody w domu. Jest on określony na etykiecie efektywności energetycznej pompy i oznaczany symbolami od XXXS do XL zgodnie z tabelą przyporządkowującą liczbę i rodzaj zainstalowanych w domu urządzeń sanitarnych do danego modelu rozbioru c.w.u. (XL oznacza pompę ciepła odpowiednią do przygotowywania c.w.u. nawet dla 10 osób). Woda użytkowa może być podgrzewana przez pompę ciepła nawet do temperatury 65^oC. Ze względu na konieczność okresowej dezynfekcji zasobnika w celu zabezpieczenia przed bakteriami Legionella trzeba jednak zainstalować w nim grzałkę elektryczną albo połączyć dodatkową wężownicą z innym urządzeniem grzewczym (zazwyczaj kotłem) umożliwiającym okresowe podgrzanie wody do wymaganej temperatury 70^oC.W nowo budowanych, dobrze zaizolowanych domach zapotrzebowanie na ciepło do podgrzewania wody użytkowej sięga 40% całkowitego zapotrzebowania budynku. Gdy do podgrzewania wody użytkowej zastosuje się osobne urządzenie, na przykład wspomnianą pompę ciepła, urządzenie grzewcze przygotowujące ciepło do instalacji c.o. będzie mogło być znacznie mniejsze. Dodatkowo, poza sezonem grzewczym, będzie je można po prostu wyłączyć.