Co musimy wiedzieć o powietrznych pompach ciepła?

Dodano: piątek, 09 listopada 2018 09:29
Co musimy wiedzieć o powietrznych pompach ciepła?

Powietrze nie jest najlepszym źródłem ciepła ani jego nośnikiem. Za to jest łatwo dostępne w niemal dowolnej ilości. Stąd i popularność powietrznych pomp ciepła. Na szczęście, rozwój technologii w ostatnich latach pozwolił pokonać ich największe ograniczenia.

SKĄD POCHODZI CIEPŁO?

Pompa ciepła właściwie nie jest źródłem ciepła, lecz jedynie jego swoistym przekaźnikiem. Bowiem - w przeciwieństwie do kotła lub pieca – sama nie wytwarza ciepła. Za to pobiera je z otoczenia, przekształca na użyteczną dla nas postać i przekazuje do instalacji grzewczej budynku, np. ogrzewania podłogowego lub grzejników.

Mamy tu więc nieuniknioną zależność od tzw. źródła dolnego, czyli elementu otoczenia, z którego czerpiemy ciepło. Może to być grunt, woda lub powietrze. Od ich temperatury, oraz oczywiście wielkości instalacji po stronie źródła dolnego, zależy ilość ciepła trafiającego do domu. Po prostu nie będzie go więcej niż pozyskamy z otoczenia. Dlatego rodzaj źródła dolnego ma kluczowe znaczenie.

JAK DZIAŁA POMPA?

Chociaż sposób działania pompy ciepła wielu osobom wydaje się z początku sprzeczny ze zdrowym rozsądkiem, to w jej funkcjonowaniu nie ma niczego niezwykłego. Wykorzystane zostają jedynie proste zjawiska fizyczne związane ze sprężaniem i rozprężaniem gazów.

Co więcej, wykorzystując te same zjawiska działają popularne urządzenia w naszym otoczeniu - lodówki i klimatyzatory. W sensie technicznym są to właściwie pompy ciepła. Różnica polega jedynie na tym, że użyteczna dla nas jest część obiegu pobierająca ciepło (z wnętrza lodówki lub z pomieszczenia). Ciepło zaś musimy gdzieś wyrzucić (poza lodówkę lub chłodzone pomieszczenie).

W pompie ciepła, lodówce lub klimatyzatorze zostaje odwrócony naturalny kierunek ruchu ciepła. To, co było ciepłe, staje się jeszcze cieplejsze. Zaś co było chłodne, zostaje dodatkowo oziębione. Nie może się to dziać samoczynnie, potrzebna jest praca (dlatego pompa pobiera energię elektryczną) i czynnik pośredniczący w postaci sprężanego i rozprężanego gazu.

Rozprężenie skroplonego gazu powoduje odbiór ciepła z otoczenia i to właśnie dzieje się po stronie źródła dolnego. Następnie sprężarka zwiększa jego ciśnienie, co zmniejsza jego objętość ale za to podnosi temperaturę. Gaz przechodzi przy tym do postaci płynnej. W tej postaci przekazuje swe ciepło do instalacji grzewczej domu, najczęściej ogrzewając wodę.

Następnie gaz ulega rozprężeniu, znów odbierając ciepło z otoczenia i cały cykl się powtarza.

Schemat: Sposób działania pompy ciepła
Sposób działania pompy ciepła jest taki sam jak lodówki czy klimatyzatora. Wszystkie te urządzenia bazują na naprzemiennym sprężaniu i rozprężaniu gazu.

DO CZEGO MOŻE SŁUŻYĆ POMPA?

Najczęściej pompy ciepła to urządzenia służące do ogrzewania budynku. Można powiedzieć, że wówczas zastępuje kocioł, dlatego najczęściej w takiej sytuacji zapewnia również ciepłą wodę użytkową (c.w.u.) i to przez cały rok.

W ostatnich latach bardzo zyskały na popularności pompy przeznaczone tylko do przygotowywania c.w.u. To urządzenia małej mocy, zwykle zintegrowane z dużym zasobnikiem wody. Najczęściej jednak nie mogą działać przy większym mrozie, dlatego nie należy ich postrzegać jako sposobu na całoroczne zapewnienie ciepłej wody. Są raczej konkurencją dla kolektorów słonecznych, działając przede wszystkim poza sezonem grzewczym.

Pompa ciepła do przygotowania c.w.u.
Pompy tylko do przygotowywania c.w.u. to obecnie najszybciej rosnący segment rynku. Ich atutem jest łatwość instalacji oraz umiarkowana cena. (fot. Hewalex)

Obecnie większość pomp wykorzystujących powietrze zewnętrzne może też służyć do chłodzenia domu (klimatyzacji). Najczęściej będzie to tzw. chłodzenie płaszczyznowe, czyli ochłodzimy podłogę, sufit lub ściany, które zwykle służą do ogrzewania (ogrzewanie podłogowe, sufitowe, ścienne). Możemy zdecydować się również na system powietrze/powietrze i wówczas w pomieszczeniach mamy ogrzewanie nadmuchowe z urządzeniami podobnymi do jednostek wewnętrznych klimatyzatorów. Jednak w naszym kraju nie jest to popularne rozwiązanie.

Rośnie oferta rynkowa pomp ciepła do podgrzewania wody basenowej. To bardzo specyficzna grupa urządzeń. Niejednokrotnie mają dużą moc, ale są przewidziane do pracy przy temperaturze zewnętrznej wynoszącej kilkanaście °C, bardzo dużym przepływie wody i przy niewielkiej różnicy temperatury wody zasysanej przez pompę i opuszczającej ją.

CO OZNACZA COP?

COP to współczynnik efektywności pracy pompy ciepła. Wyznacza się go, dzieląc moc grzewczą pompy ciepła przez moc elektryczną pobieraną przez nią z sieci. Przykładowo jeżeli pompa pracująca z mocą grzewczą 12 kW pobiera równocześnie z sieci 4 kW, to znaczy że COP wynosi 3, ponieważ:

12 : 4 = 3

Przy czym trzeba dodać, że energia elektryczna z sieci i tak jest ostatecznie zamieniana na ciepło.

Widać z tego, że działanie pompy jest bardzo korzystne z energetycznego punktu widzenia, bo i tak 2/3 oddanego do budynku ciepła pochodziło z otoczenia. Zużyliśmy więc 3 razy mniej energii, niż gdybyśmy użyli grzejników elektrycznych. Trzeba zaś dodać, że COP = 3 nie jest wcale imponującym wynikiem i możemy liczyć na lepszy.

Schemat: Współczynnik COP
Współczynnik COP pokazuje jaka część energii dostarczonej do instalacji grzewczej pochodzi z otoczenia, a jaka z sieci energetycznej. Płacimy tylko za tę drugą.

OD CZEGO ZALEŻY COP?

Wartość COP zależy od dwóch zasadniczych czynników:

  • sprawności wewnętrznej samego urządzenia, na którą wpływa jego konstrukcja, rodzaj czynnika chłodniczego itp.;
  • różnicy temperatury pomiędzy źródłem dolnym i górnym oraz temperatury wody po stronie źródła górnego (instalacji grzewczej budynku).

Pierwszego elementu, czyli parametrów samej pompy nie jesteśmy w stanie poprawić. Mamy jednak duży wpływ na drugi z nich. Musimy się liczyć z tym, że temperatura powietrza zewnętrznego, czyli naszego źródła dolnego, jest bardzo zmienna i na nią szczególnie nie wpłyniemy. Jednak to od nas zależy co znajdzie się po drugiej stronie, czyli jakie parametry temperaturowe będzie mieć instalacja po stronie źródła górnego.

JAK ZMNIEJSZYĆ RÓŻNICĘ TEMPERATURY POMIĘDZY ŹRÓDŁEM DOLNYM I GÓRNYM?

Generalnie, obowiązuje zasada, że im niższa temperatura wody w obiegu, tym lepiej. Dlatego w przypadku pomp ciepła pierwszym wyborem powinno być ogrzewanie płaszczyznowe. Najczęściej jest to podłogówka, lecz równie dobre będzie sufitowe lub ścienne. Chodzi po prostu o to, żeby duża powierzchnia wymiany ciepła rekompensowała niską temperaturę.

W dobrze wykonanej instalacji temperatura wody na zasilaniu może wynosić zaledwie ok. 30°C. To nawet ponad dwukrotnie mniej niż w systemach z grzejnikami. A dla pompy ciepła nawet 5 stopni różnicy to dużo. Odbija się to na sprawności i kosztach eksploatacji. W przypadku pomp typu powietrze/woda, temperatura wody w obiegu jest nawet ważniejsza, niż w pozostałych typach urządzeń. Wszystko dlatego, że temperatura gruntu lub wody gruntowej jest w miarę stała przez cały sezon.

W pompach typu powietrze/woda szczególnie przydaje się płynna regulacja mocy sprężarki
W pompach typu powietrze/woda szczególnie przydaje się płynna regulacja mocy sprężarki. (fot. Bosch)

Natomiast dla pomp powietrznych duże mrozy są szczególnie ciężkim sprawdzianem. Potrzebujemy wówczas najwięcej ciepła do ogrzewania, a równocześnie najtrudniej je pozyskać z powietrza zewnętrznego i sprawność pompy spada! Pozostaje nam zadbać o zapewnienie mimo wszystko jak najkorzystniejszych warunków pracy, a najważniejsze jest właśnie zmniejszenie różnicy temperatury pomiędzy źródłem dolnym i górnym.

CZY POWIETRZNA POMPA CIEPŁA DA RADĘ SAMODZIELNIE OGRZAĆ DOM?

To pytanie zadaje sobie wiele osób, zaś obawa, że pompa jednak sobie nie poradzi w czasie dużych mrozów jest jednak bardzo silna. Niestety, odpowiedź nie jest wcale jednoznaczna. Wszystko zależy od tego, jaką konkretnie pompę kupimy i w jakiej instalacji grzewczej będzie ona pracować.

Wiele dawniej produkowanych pomp faktycznie nie radziło sobie w czasie większych mrozów i najrozsądniejszym rozwiązaniem było przejście na inny sposób ogrzewania, gdy mróz sięgał -7 czy -10°C. Także obecnie nie brakuje pomp, których moc grzewcza bardzo spada w niskiej temperaturze. A przecież to wtedy potrzebujemy jej najbardziej.

Trzeba sobie uświadomić, że dla większości obszaru Polski jako najniższą temperaturę zewnętrzną przy projektowaniu ogrzewania przyjmuje się ok. -20°C. Zaś podana w katalogu lub prospekcie reklamowym moc pompy mogła być wyznaczona nawet przy +7°C.

Dlatego jeżeli pompa ma zapewniać ogrzewanie przez całą zimę koniecznie sprawdźmy dokładnie jej dokumentację, a w szczególności moc oraz COP przy temperaturze rzędu -15°C czy -20°C. Jeżeli tych danych brak to najpewniej nie ma się czym chwalić.

Warto wiedzieć, że są nawet pompy utrzymujące nominalną moc grzewczą nawet przy tak dużym mrozie. Oczywiście, nie znaczy to, że dla nich temperatura zewnętrzna nie ma znaczenia. Praw fizyki nie oszukamy, sprawność (wartość COP) będzie wówczas znacznie niższa, jednak o niedobór mocy grzewczej nie musimy się obawiać.

Powietrzna pompa ciepła
Powietrzne pompy ciepła mogą samodzielnie ogrzewać dom przez cały rok. Muszą być jednak odpowiednio dobrane zaś instalacja grzewcza dopasowana do ich wymagań. (fot. Nibe-Biawar)

JAKA POWINNA BYĆ MOC POMPY?

Najlepsza odpowiedź na tak postawione pytanie brzmi - taka, jaka jest nam potrzebna. I wbrew pozorom to nie wykręt. Zanim zdecydujemy, jaką pompę kupić, specjalista powinien stworzyć projekt instalacji grzewczej. A najważniejszym etapem jest tu sprawdzenie jak duże są straty ciepła budynku i podjęcie decyzji czy pompa ma je pokrywać samodzielnie (w całości) czy może jednak będzie wspomagana drugim, konwencjonalnym źródłem ciepła. Może to być np. kocioł albo nawet kominek. Dopiero wówczas będziemy wiedzieć jakiej mocy potrzebujemy.

Generalnie, w nowych lub starszych ale dobrze izolowanych domach jednorodzinnych zwykle wystarcza urządzenie o mocy ok. 10 kW. Jednak zawsze powinno się wyznaczyć zapotrzebowanie na moc dokładnie, z większą starannością niż przy doborze kotła. Choćby ze względu na duży wzrost cen wraz ze wzrostem mocy.

NA CZYM POLEGA UKŁAD BIWALENTNY?

Biwalentnym nazywamy system grzewczy z dwoma źródłami ciepła. Może to być np. pompa ciepła i kocioł. Bywają również układy z większą liczbą urządzeń grzewczych, czyli multiwalentne. W przypadku pomp powietrznych układy biwalentne są popularne, a szczególnie gdy pompę dodano do funkcjonującej już instalacji grzewczej. Wówczas najczęściej mamy już jakiś kocioł (nie musimy go usuwać), zaś instalacja grzewcza nie jest idealnie dopasowana do pompy ciepła.

Przykładowo, jest z grzejnikami i to typowej wielkości, co znaczy, że przy dużym mrozie pompa może mieć problem ze skutecznym ogrzaniem domu. Wynika to z faktu, że moc grzewcza grzejników bardzo szybko spada wraz z obniżeniem temperatury wody w obiegu. Jeżeli więc grzejniki dobrano zakładając maksymalną temperaturę wody na zasilaniu np. 75°C, to współpracując z pompą ciepła, która daje chłodniejszą wodę, nie będą one grzać wystarczająco mocno. W czasie dużych mrozów powrót do ogrzewania za pomocą kotła może być wskazany.

Jednak trzeba uprzedzić, że nawet w starszych domach układ biwalentny wcale nie musi być konieczny. W wielu budynkach przez lata, od czasu założenia grzejników, faktyczne straty ciepła stały się mniejsze, bo np. wymieniono okna i docieplono ściany. A i same grzejniki bywały dobrane mocno na wyrost. Dlatego zanim wybierzemy pompę powinniśmy zlecić specjaliście opracowanie projektu instalacji grzewczej. Tak w nowym, jak i remontowanym domu.

Układ biwalentny
Obecnie najczęściej układ biwalentny stosuje się w modernizowanych domach, gdzie jakieś konwencjonalne źródło ciepła i tak już jest. (fot. Nibe-Biawar)

CZY WARTO KORZYSTAĆ Z DRUGIEJ TARYFY ZA ENERGIĘ?

W przypadku pomp wykorzystujących ciepło ziemi lub wód gruntowych, korzystanie z dwutaryfowego rozliczania za energię bardzo często jest uzasadnione. Jest tak, jeżeli to właśnie zużycie prądu przez pompę jest głównym składnikiem naszych rachunków i to w skali całego roku, również poza sezonem grzewczym. Uprzedźmy jednak, że nie zawsze musi tak, być. Szczególnie w przypadku nowych domów o bardzo małych stratach ciepła, oraz tych wyposażonych w klimatyzację. To samo dotyczy budynków z pompą ciepła wykorzystującą powietrze zewnętrzne.

Rzecz w tym, że przy dwustrefowym rozliczaniu, wprawdzie prąd kosztuje nas taniej w godzinach nocnych oraz przez krótki czas w środku dnia, ale przez resztę doby płacimy drożej. Wykorzystanie drugiej taryfy w przypadku pomp grunt/ woda oraz woda/woda polega więc na wykorzystaniu do maksimum godzin nocnych. Pompa działa tylko wtedy i nagrzewa dom wystarczająco, żeby mogła nie pracować już za dnia. Wymaga to, oczywiście, elementu akumulującego ciepło, np. grubej wylewki podłogowej. Z pozoru pompa powietrze/woda może działać tak samo.

Jednak pamiętajmy, że w godzinach nocnych temperatura powietrza jest zwykle najniższa. Czyli pompa będzie nam działać w drugiej taryfie z mniejszą sprawnością, niż mogłaby to zrobić w ciągu dnia. A to odbija się na wysokości rachunków. Dlatego sens korzystania z drugiej taryfy przy pompie typu powietrze/woda wymaga głębszego zastanowienia i przeanalizowania, jak dużo energii zużywają inne urządzenia.

Powietrzna pompa ciepła
Korzystanie z dwustrefowego rozliczania za energię nie zawsze ma sens w przypadku pomp powietrznych. (fot. Hewalex)

CZY POMPA DO C.W.U. WYSTARCZY PRZEZ CAŁY ROK?

Wspominaliśmy już, że pompy przeznaczone tylko do podgrzewania c.w.u. zwykle nie są w stanie w ogóle pracować przy większym mrozie. A to oznacza po prostu, że w środku zimy wodę do mycia będzie musiał podgrzewać kocioł lub grzałka elektryczna. Ma się rozumieć, że może być ona umieszczona w zasobniku wody pompy ciepła. Dlatego właśnie system z pompą do c.w.u. nie rozwiązuje w pełni problemu przygotowywania wody. Pompę tego rodzaju porównuje się raczej z kolektorami słonecznymi i dla nich jest ona bezpośrednią konkurencją.

Pompa do c.w.u. czerpiąca powietrze z wnętrza domu może być dobrym rozwiązaniem, jeżeli w jakimś wnętrzu, np. w spiżarni, i tak chcielibyśmy obniżyć temperaturę
Pompa do c.w.u. czerpiąca powietrze z wnętrza domu może być dobrym rozwiązaniem, jeżeli w jakimś wnętrzu, np. w spiżarni, i tak chcielibyśmy obniżyć temperaturę.
Ubocznym efektem pracy pompy ciepła jest osuszanie powietrza. Warto to wykorzystać zakładając ją w suszarni lub pralni
Ubocznym efektem pracy pompy ciepła jest osuszanie powietrza. Warto to wykorzystać zakładając ją w suszarni lub pralni.
Najwygodniejszy wariant to taki układ rur, który pozwoli na czerpanie powietrza zarówno z wnętrza domu, jak i z zewnątrz, zależnie od panujących akurat warunków
Najwygodniejszy wariant to taki układ rur, który pozwoli na czerpanie powietrza zarówno z wnętrza domu, jak i z zewnątrz, zależnie od panujących akurat warunków.

ILE ZAPŁACIMY ZA POMPĘ?

Pompa o mocy ok. 10 kW wraz z montażem to wydatek przynajmniej 20 000 zł. Chociaż na rynku nie brakuje również urządzeń nawet dwukrotnie droższych. Do tego należy dodać koszt zbiornika na c.w.u. oraz niekiedy dodatkowego modułu do pompy. Cena wzrośnie o przynajmniej 1500 zł za zbiornik ok. 200 l.

Pompa tylko do c.w.u. wraz ze zbiornikiem 200-300 l to zaś wydatek przynajmniej 5000 zł.

Ceny pomp są więc stosunkowo wysokie. Jednak pamiętajmy, że w przypadku urządzeń powietrze/woda nie musimy już wydawać nic na instalację po stronie źródła dolnego. Cena w porównaniu z innymi rodzajami ogrzewania nie jest wbrew pozorom aż tak wysoka. A pamiętajmy, że nie potrzebujemy komina ani kosztownych przyłączy, jak w przypadku gazu ziemnego. A nawet najtańszy kocioł na paliwa stałe to obecnie wydatek przynajmniej 5000 zł.

Jarosław Antkiewicz