Pompy ciepła

Czym tak naprawdę jest pompa ciepła? Gdzie warto ją zastosować? Czy opłacalny jest jej montaż i użytkowanie?

Pompy ciepła zyskują ostatnio na popularności przede wszystkim dzięki obniżeniu ich cen, ale również przez stały wzrost cen ciepła
i paliw do ogrzewania budynków.

Czym jest pompa ciepła?

Pompa ciepła jest to urządzenie, które przepompowuje ciepło z obszaru o niskich temperaturach do domowej instalacji grzewczej, w której temperatura czynnika jest wyższa.

Nazwa jest analogiczna do zwykłej pompy wodnej, która pobiera wodę z miejsca na niskiej wysokości i przetłacza ją wyżej lub podnosi jej ciśnienie. Pompa ciepła niejako podnosi temperaturę ciepła, ułatwiając jego wykorzystanie do ogrzewania. Dzięki temu możemy czerpać ciepło z gruntu, powietrza czy wody, a następnie używać je do ogrzewania naszego domu.

Pompa ciepła jest urządzeniem działającym na tej samej zasadzie jak lodówka czy klimatyzator. Jej celem nie jest jednak odebranie ciepła od owoców czy jogurtów schowanych w lodówce, ale dostarczenie ciepła, czyli to, co lodówka robi na wymienniku umieszczonym z tyłu obudowy.

W dużym skrócie - pompa ciepła pobierając 1 kWh energii elektrycznej pobiera z otoczenia od 1 kWh do 4 kWh ciepła i następnie w łącznej ilości od 2 kWh do 5 kWh przekazuje to ciepło do otoczenia.

Pompa ciepła dostarcza więcej ciepła niż zużywa prądu - jest tania w eksploatacji (mówimy, że ma COP od 4 do 5). Dlatego uważa się, że taka pompa jest odnawialnym źródłem energii — znaczącą część ciepła dostarczanego do budynku czerpie z otoczenia.

Pompa ciepła do swojego działania pobiera energię z tzw. „dolnych źródeł” i „górnych źródeł”.

Rodzaje dolnych źródeł to między innymi:

pobieranie ciepła z powietrza atmosferycznego, nadmuchiwanego na wymiennik ciepła za pomocą wentylatora,
rurowy, poziomy wymiennik ciepła zakopany na głębokości 1,5 m pod trawnikiem, w którym krąży ciecz niezamarzająca (mieszanka glikolu i wody),
rurowy wymiennik ciepła wpuszczony w pionowy odwiert wykonany na głębokość 50-100 metrów (a dokładniej kilka takich odwiertów),
rurowy wymiennik umieszczony na dnie stawu lub na dnie rzeki,
pobieranie wody z podziemnego ujęcia, po czym spuszczanie wody (po odebraniu od niej ciepła) do studni zrzutowej,
pobieranie wody ze zbiornika lub rzeki, spuszczanie w innym miejscu.

Rodzaje górnych źródeł to:

ogrzewanie podłogowe — najpopularniejsze i najbardziej korzystne przy zastosowaniu pompy niskotemperaturowej (55°C),
grzejniki tradycyjne stosowane przy ogrzewaniu gazem lub węglem z zastosowaniem pompy wysokotemperaturowej (65°C),
wymiennik ciepła bezpośrednio podgrzewający powietrze.

W zależności od tego, skąd pobierane jest ciepło i jak jest oddawane, wyróżniamy m.in. pompy ciepła:

powietrze-powietrze (ogrzewają powietrze w pokoju, odbierając ciepła od powietrza atmosferycznego za ścianą),
powietrze-woda (chłodzą powietrze, ogrzewają wodę w instalacji ogrzewczej lub ciepłą wodę użytkową),
glikol-woda (ciepło jest odbierane przez ciecz niezamarzającą, zaś oddawane jest do wody krążącej w instalacji ogrzewczej), określane też czasem mianem gruntowych pomp ciepła,
woda-woda (jak powyżej, przy czym ciepło odbierane jest nie od glikolu krążącego w wymienniku ciepła, tylko bezpośrednio z wody czerpanej ze studni, rzeki lub stawu).

Prostą pompą ciepła powietrze-powietrze jest również klimatyzator. Niektóre urządzenia tego typu mają możliwość pracy grzewczej, ale tylko jako wspomaganie ogrzewania, a nie główne źródło ciepła. Jak to może wyglądać po zainstalowaniu w domu, przedstawia widoczny nieco niżej schemat.

Do jakich systemów grzewczych nadaje się pompa ciepła?

Pompy ciepła tym mniej zużywają energii, im niższą temperaturę oddawania ciepła muszą zapewnić. Im ta temperatura będzie wyższa, tym droższa będzie praca pompy ciepła. Z tego względu najchętniej są one wykorzystywane w układach ogrzewania niskotemperaturowego, w których woda krążąca w instalacji centralnego ogrzewania ma temperaturę nie przekraczającą 35-40°C. Takie temperatury czynnika grzewczego są typowe dla instalacji ogrzewania płaszczyznowego — podłogowego, ściennego lub sufitowego. Z tego właśnie względu podstawowym układem jest niskotemperaturowa pompa ciepła (55°C) + ogrzewanie podłogowe.

Oczywiście można wykonać w domu instalację grzejnikową zasilaną pompą ciepła niskotemperaturową. Wtedy grzejniki muszą być odpowiednio większe, by zapewnić większą powierzchnię oddawania ciepła. Mimo to, przy największych mrozach pompa ciepła będzie musiała wysoko podbijać temperaturę wody w instalacji kosztem większego zużycia prądu lub zastosować pompę wysokotemperaturową (+65°C)

Pompy ciepła wykorzystuje się również do przygotowywania ciepłej wody użytkowej

Najefektywniej działają te, które korzystają z zużytego powietrza wentylacyjnego, o wyższej temperaturze niż temperatura świeżego powietrza. Można oczywiście wyobrazić sobie pompę ciepła powietrze-powietrze, z której ciepłe powietrze będzie rozprowadzane po całym budynku (centralne ogrzewanie powietrzne). Takie układy w domach jednorodzinnych spotyka się jednak niesłychanie rzadko.

Czy pompa ciepła się opłaca?

Pompa ciepła jest najczęściej uważana za alternatywę dla ogrzewania gazowego, węglowego oraz oleju opałowego. W porównaniu do zwykłego ogrzewania elektrycznego (piece akumulacyjne, grzejniki elektryczne), pompa jest znacznie tańsza w eksploatacji. Pompa ciepła zużywając jedną jednostkę energii elektrycznej dostarcza do pomieszczeń od 3 do 5 jednostek ciepła. A zatem w porównaniu do ogrzewania elektrycznego, pompa ciepła daje znacznie tańsze (3-5 razy) ciepło.

Ogrzewanie pompą ciepła jest zdecydowanie tańsze niż ogrzewanie gazowe (i to biorąc pod uwagę zarówno inwestycję w źródło, jak i późniejszą eksploatację). Porównywalna do ogrzewania na węgiel czy drewno, choć sporo może zależeć od lokalnych uwarunkowań dla danego przypadku. Za to w domach energooszczędnych (a zwłaszcza w domach pasywnych) pompa ciepła w połączeniu z panelami fotowoltaicznymi produkującymi prąd na potrzeby pompy ciepła, jest najtańszą opcją ogrzewania.

Inne zalety pomp ciepła

Jeśli chodzi o inne niefinansowe zalety, bezsprzecznie można wymienić dwie, niekiedy bardzo istotne. Po pierwsze, dobrze dobrana do budynku pompa ciepła jest kompletnie bezobsługowa. Nie trzeba jej ładować węglem, odpalać, czyścić. Trzeba jedynie regularnie opłacać faktury za dostarczoną energię elektryczną. Po drugie, pompa ciepła w miejscu eksploatacji nie powoduje powstawania spalin, nie zanieczyszcza więc atmosfery pyłem i dymem. Oczywiście wyprodukowanie energii elektrycznej zużywanej przez pompę nie odbywa się bez kosztów dla środowiska, ale emisje spalin z elektrowni są mniej uciążliwe, niż emisje z niskich kominów na osiedlach domków jednorodzinnych.

Warto wspomnieć, że pompę ciepła stosunkowo łatwo jest zamontować niemal w każdym rodzaju budynku. Nawet w mieszkaniach w bloku znacznie łatwiej jest zamontować pompę ciepła niż kocioł centralnego ogrzewania. Pompa ciepła powietrze-powietrze to tylko dwie jednostki montowane na ścianie, jedna wewnątrz mieszkania, druga na zewnątrz. Nie ma potrzeby podłączania pompy do żadnego komina dymowego czy spalinowego, w które dzisiejsze mieszkania nie są już zazwyczaj wyposażane.

Jak wspomnieliśmy powyżej, pompy ciepła nie wymagają kominów. Zastosowanie takiego źródła ciepła pozwala znacząco obniżyć koszt budowy domu właśnie o koszt wykonania komina dla kotła czy kominka, na który składa się nie tylko samo wymurowanie kominka (materiał, robocizna), ale i nieco bardziej wytrzymały fundament oraz przejście komina przez dach (obróbki blacharskie, ew. przerobienie więźby dachowej, jeśli projektant umieści komin w złym miejscu).

Pompa ciepła nie wymaga też osobnego pomieszczenia kotłowni, wyposażonego w nawiew powietrza do spalania i kanał wentylacji grawitacyjnej. To oznacza oszczędność kilku metrów kwadratowych miejsca w domu i możliwość przeznaczenia dodatkowego pomieszczenia na pralnię, spiżarnię czy składzik. Zresztą w pralni czy składziku pompa ciepła spokojnie może zostać zainstalowana, czego nie można powiedzieć np. o kotle na eko-groszek.

Wady pomp ciepła

Podstawową wadą, która rzuca się w oczy, jest znacząco wyższy koszt pompy ciepła i jej instalacji niż innych źródeł ciepła. To oczywiście zależy od konkretnego przypadku. Można sobie wyobrazić bowiem dom, w którym podłączenie do gazociągu będzie kosztować 15 000 PLN. Zresztą w każdym przypadku należy sprawę analizować całościowo — uwzględniając choćby wspomniany wyżej koszt dodatkowej powierzchni domu na kotłownię.

Przykładowe wyliczenie zużycia energii przez pompę ciepła

Dotyczy typowego, współczesnego domu jednorodzinnego o powierzchni 140 m2, którego zapotrzebowanie na ciepło utrzymuje się na poziomie 90 kWh/m2/rok.

Zużycie ciepła takiego budynku to 12600 kWh zapotrzebowania energii netto na c.o. w sezonie grzewczym,

Załóżmy, że budynek jest użytkowany przez 4-osobową rodzinę, co standardowo odpowiada zużyciu wody ciepłej około 200 dm3/dobę. Zapotrzebowanie na ciepło dla takiego zużycia wody to około 4220 kWh/rok.

Łącznie zapotrzebowanie na ciepło wynosi 16820 kWh/rok energii netto.

((12 600+4220)/3)*0,41= 2 298zł/rok

Czyli pompą ciepła ogrzejemy dom i wodę użytkową rocznie za kwotę ok. 2 298 zł. Jest to dobry wynik, zważywszy na fakt, iż jest to urządzenie całkowicie bezobsługowe i nie absorbuje naszej uwagi ani czasu.

Posiłkując się danymi z tabeli obliczone zostały koszty eksploatacji poszczególnych systemów grzewczych. Koszty te nie uwzględniają sprawności konkretnych elementów składowych systemu grzewczego, takich jak transport ciepła, magazynowanie czy dystrybucja, ponieważ wymagają one indywidualnej oceny, a na sam fakt porównania źródeł ciepła nie mają wpływu.

Budowa pompy ciepła

Głównymi elementami pompy ciepła są:

Skraplacz.
Zawór rozprężny.
Sprężarka.
Parownik.

Istotnym elementem dla zrozumienia zasady przekazywania ciepła ze źródła o niskiej temperaturze, jaką ma powietrze do podgrzewanej wody (gdzie chcemy uzyskać np. temperaturę 55°C), są właściwości płynu chłodniczego, który krąży w układzie. To on krążąc w układzie pobiera ciepło z powietrza, podgrzewa się do temperatury 75°C-90°C i oddaje ciepło wodzie schładzając się. Czynnikiem chłodniczym jest specjalna ciecz R-410A, R-407A, która ma temperaturę wrzenia poniżej -10°C. Taka ciecz łatwo paruje.

Powietrze zasysane przez wentylator przechodzi przez parownik.

Wchodząc do parownika czynnik chłodniczy znajduje się w stanie gazowym i ma temperaturę rzędu -20°C. Przechodząc przez parownik, czynnik chłodniczy pobiera ciepło z powietrza i jego temperatura wzrasta do +3°C. Wtedy trafia do sprężarki i ulega sprężeniu do wielkości nawet 40 bar.

Wzrost ciśnienia skutkuje wzrostem temperatury do 75°C-90°C. Taka temperatura utrzymuje czynnik chłodniczy w stanie gazowym, pomimo działania wysokiego ciśnienia. Gorący czynnik chłodniczy w stanie gazowym przechodzi przez wymiennik ciepła. Powoduje to oddanie ciepła do wody i ochłodzenie czynnika do 58°C. Tym sposobem podgrzewamy ciepłą wodę w układzie co, cwu do temperatury 55°C.

Przy temperaturze 58°C z uwagi na wysokie ciśnienie czynnik chłodniczy ulega skropleniu. Stąd ten element urządzenia nazywa się skraplaczem. Płyn chłodniczy trafia teraz pod dużym ciśnieniem na zawór rozprężny, gdzie ulega gwałtownemu rozprężeniu. Wskutek braku dużego ciśnienia przechodzi w parę jednocześnie ulegając silnemu ochłodzeniu do -25°C. I znowu czynnik w stanie gazowym trafia do parownika i cykl powtarza się od nowa.

Należy tu wspomnieć o jeszcze jednym zjawisku jakie towarzyszy temu procesowi na zewnątrz urządzenia.

W powietrzu znajduje się para wodna, czasem jest jej więcej, czasem mniej, ale jest. Powietrze razem z parą wodną tłoczone jest przez parownik, gdzie oddaje ciepło i jego temperatura spada.

Wraz ze spadkiem temperatury, na zimnym parowniku skrapla się para wodna. Skroplona para wodna musi być odprowadzona np. do kanalizacji. W przypadku włączenia pompy po raz pierwszy, kiedy w zbiorniku jest zimna woda i praca pompy jest intensywna, trzeba odprowadzić do 0,35 litra kondensatu na godzinę. Skutkiem ubocznym jest osuszenie powietrza.

*Pompa ciepła działa według powyższej zasady, niemniej wartości temperatur oraz ciśnień są przykładowe i zależą od rodzaju zastosowanego czynnika chłodniczego, a także od szczegółowych rozwiązań technicznych zastosowanych w budowie konkretnej pompy ciepła.

Najważniejsze zasady dotyczące montażu:

urządzenie jest zainstalowane na zewnątrz, jednak wymiennik ciepła wewnątrz w zależności od typu pompy,
przyłącza elektryczne i hydrauliczne należy wykonać zgodnie z normą,
odległość ścian i innych przedmiotów od urządzenia powinna być nie mniejsza niż 30 cm boki pompy wylot powietrza to ok 2m.

Działanie w trybie ogrzewania

Czynnik chłodniczy pochłania ciepło z powietrza w parowniku i zostaje zamienione w parę. Następnie przez sprężarkę gdzie zwiększa swoje ciśnienie i temperaturę trafia do skraplacza gdzie oddaje ciepło wodzie i ponownie się skrapla. Poprzez zawór rozprężny wraca do parownika i cykl zaczyna się od nowa.

Praca w trybie chłodzenia lub rozmrażania:

Praca w tym trybie polega na odwróceniu cyklu poprzez zawór 4-drogowy. Płyn odparowuje w odbierając ciepło od wody, następnie przepływa przez sprężarkę oddaje ciepło powietrzu wracają z powrotem do stanu ciekłego.

Co z Zimą?

W Polsce zimy przebiegają łagodnie. Średnia temperatura zim w Polsce, nie jest niższa niż -4°C, natomiast ekstremalnie niskie temperatury są rzadkością i nawet jeśli występują, utrzymują się bardzo krótko.

Taki klimat jest dla nas, bardzo korzystny jeśli chodzi o wykorzystanie pomp ciepła. Przy niewielkich nakładach inwestycyjnych, można osiągnąć bardzo wysoką efektywność odzysku energii.

W Polsce nie ma potrzeby stosowania wymienników gruntowych poziomych, tym bardziej pionowych.

Dla warunków panujących w Polsce w pełni wystarczający jest wymiennik powietrze-woda. Oznacza to, że pieniądze wydane na urządzenia i ich montaż, zwrócą się w dużo krótszym czasie.

Co zyskujesz z pompami ciepła?

Nikogo nie trzeba chyba przekonywać jak zgubna dla naszego środowiska, jest eksploatacja paliw kopalnych oraz jaki ma to wpływ na nasze zdrowie. Ogrzewanie domu, przy pomocy „tradycyjnych” sposobów np. przy pomocy gazu, niesie ze sobą duże ryzyko nie tylko dla zdrowia, ale nawet życia. Co roku śledzimy w mediach tragedie które są spowodowane tlenkiem węgla (tzw. czadem) czy wybuchem spowodowanym rozszczelnieniem instalacji gazowej. Każda usterka, każdy błąd może okazać się tragiczny w skutkach.

Dzięki zastosowaniu pomp ciepła, wszystkie problemy znikają.

Pompy ciepła są nowoczesnym i najbardziej wydajnym sposobem na ogrzanie domu. Dzięki nim, nie tylko obniżymy rachunki o ponad 50% do 80%, ale również dbamy o środowisko, będziemy mogli spać spokojnie, nie martwiąc się o stężenie CO2 w powietrzu, nieszczelność instalacji gazowej itd.

Efektywność pomp ciepła.

Efektywność pomp ciepła jest zależna od temperatury, która panuje w otoczeniu wymiennika. Wymienniki gruntowe pracują w mniejszym zakresie temperatur niż wymienniki powietrzne dla których zakres temperatur dla efektywnej pracy może wynosić nawet od -25ºC do 43ºC. W sprzyjających warunkach powietrzne pompy ciepła mogą wytworzyć ponad 4-5 krotnie więcej energii niż zużyją do jej wyprodukowania.

To tak, jakbyś wydał tysiąc złotych i dostał za to 4-5 tysięcy! Stosunek efektywności powietrznych pomp ciepła do kosztu zakupu i instalacji jest najbardziej korzystny spośród wszystkich rodzajów instalacji tego typu.

Pompy ciepła, pozyskują energię zgromadzoną w gruncie i powietrzu, wykorzystując ją do ogrzania domu zimą. Energia która pozyskana jest w ten sposób jest całkowicie darmowa i ekologiczna. Pompy ciepła, mogą w ten sposób zastąpić do 80% zużywanej energii, braki uzupełnione zostają przez tradycyjną sieć grzewczą.

Korzyści mogą być jeszcze większe jeżeli system zostanie wsparty poprzez ogniwa fotowoltaiczne, a pompa ciepła zostanie wykorzystana, nie tylko do ogrzania domu, ale również do podgrzewania wody użytkowej.

Nasze pompy, osiągają wysoką efektywność nawet do 4,5 COP

Wartość COP wyrażana w jednostkach liczbowych oznacza stosunek mocy uzyskanej do mocy pobranej w celu odzyskania energii. Innymi słowy, jeżeli jednostka COP ma wartość 3 oznacza to, że urządzenie wytworzyło 3 razy więcej energii niż samo jej zużyło.