Pompa ciepła – rodzaje, porady przy doborze pompy ciepła do domu jednorodzinnego

Wszędzie wokół nas jest ciepło pochodzące od słońca: w powietrzu, w wodach gruntowych i w ziemi. Dlaczego więc nie wykorzystać tego ciepła do podgrzewania wody, a potem całego domu? Pompa ciepła służy właśnie do tego celu, a ogrzewanie pompą ciepła należy do najbardziej proekologicznych i innowacyjnych systemów grzewczych.

Istnieją różne rodzaje pomp ciepła, ale każda z nich wytwarza energię do C.O. nie w wyniku spalania drewna, węgla, czy gazu, lecz poprzez złożone procesy techniczne. Do działania potrzebna jest tylko niewielka ilość energii elektrycznej.

Ogrzewanie pompą ciepła – wydajne i ekologiczne

Zasada działania pomp ciepła i źródła energii

Pompa ciepła jest urządzeniem, które wykorzystuje zgromadzoną w otoczeniu energię cieplną. Rodzaje pomp ciepła wyróżnia się według wykorzystywanego źródła ciepła:

• energia cieplna z powietrza – pompa powietrzna,
• energia cieplna podziemnych cieków wodnych,
• energia cieplna skumulowana w gruncie – pompa gruntowa.

Jak działa pompa ciepła można sobie łatwo wyobrazić, odwracając działanie urządzeń chłodniczych. Energia pobierana jest z jednego miejsca i transportowana do drugiego, gdzie ciepło zostaje przekazane do C.O. albo CWU. Pompa ciepła zbudowana jest z głównych elementów:

• parownik – wymiennik ciepła, w którym czynnik roboczy odbiera energię z pierwszego (dolnego) źródła i ulega odparowaniu;
• sprężarka – czynnik w postaci pary zostaje zassany do sprężarki, która podnosi jego ciśnienie i temperaturę;
• skraplacz – wymiennik ciepła, w którym sprężony i gorący czynnik przekazuje energię do drugiego (górnego) źródła i ulega skropleniu;
• zawór rozprężny – reguluje ilość czynnika trafiającego do parownika. Czynnik zostaje rozprężony, obniża swoje ciśnienie, a jego temperatura spada. W ten sposób kończy się jeden cykl i pompa ciepła rozpoczyna cykl kolejny, podczas gdy czynnik krąży w zamkniętym obiegu termodynamicznym.

Czynnik posiada szczególnie niską temperaturę wrzenia, a więc zaczyna parować bardzo szybko. Sprężarka redukuje objętość pary, a w rezultacie podnosi jej ciśnienie i temperaturę do wartości wymaganej w instalacji grzewczej.

Ponieważ trudno od pomp ciepła wymagać działania na zasadzie perpetuum mobile, więc pewien wkład energii w formie elektryczności jest niezbędny do utrzymania cyklicznego obiegu czynnika. W korzystnych warunkach pompa ciepła jest w stanie zwiększyć pobraną energię elektryczną cztero- albo pięciokrotnie. Oznacza to, że do prawidłowego działania pompa gruntowa albo pompa powietrzna potrzebuje około 20-25% energii elektrycznej.

W tym momencie nasuwa się idealne rozwiązanie, które zmniejszy koszt ogrzewania domu, a mianowicie instalacja fotowoltaiczna. Ponosząc jednorazowo koszt instalacji PV, można potem pozwolić sobie na ignorowanie rosnącej ceny prądu elektrycznego z sieci.

Ogrzewanie z ziemi i powietrza przy pomocy pomp ciepła – zalety i wady

Wiedząc jak działa pompa ciepła, można łatwo zauważyć cały szereg zalet takiego ogrzewania:

• zarówno pompa powietrzna jak i pompa gruntowa mogą działać w bardzo wydajny sposób, to znaczy przy małym zużyciu energii pierwotnej i w rezultacie przy stosunkowo niskich kosztach eksploatacji;
• energia elektryczna, która jest niezbędna do napędu pomp ciepła, może być dodatkowo uzyskana w całkowicie przyjazny dla środowiska sposób i bez negatywnego wpływu na klimat;
• ogrzewanie pompą ciepła jest nadzwyczaj wygodne, a mianowicie jest w pełni zautomatyzowane i ma opinie praktycznie bezobsługowego;
• trwałość urządzeń jest naprawdę duża;
• nie ma powodu do niepokoju z powodu kurczących się zasobów paliw kopalnych. Prąd elektryczny do pompy ciepła zawsze się znajdzie, choćby z fotowoltaiki, także rosnące ceny energii elektrycznej stwarzają mniejsze ryzyko powstania wysokich kosztów ogrzewania, niż na przykład ceny oleju opałowego;
• w wielu przypadkach pompa ciepła pozwala także na chłodzenie budynku latem;
• wszystkie rodzaje pomp ciepła chronią zasoby kopalnych nośników energii i nie emitują szkodliwych dla środowiska substancji.

Jednak ogrzewanie pompą ciepła ma też swoje negatywne strony:

• stosunkowo wysokie koszty instalacji;
• wysokie koszty energii elektrycznej w przypadku błędnego zaplanowania instalacji;
• niektóre warianty ogrzewania pompą ciepła, w odniesieniu do kosztów energii pierwotnej, mogą się okazać nie wiele lepsze od konwencjonalnego kotła grzewczego;
• jeśli prąd elektryczny pochodzi z elektrowni węglowej, a nie ze źródeł energii odnawialnej, proekologiczne znaczenie pompy ciepła zostaje wyraźnie zredukowane, w przypadku pompy ciepła o małej sprawności zasilanej prądem elektrycznym z obciążeniem ekologicznym, emisja CO₂ w skali roku w przeliczeniu na jednostkę energii cieplnej może przekroczyć emisję wydajnego kotła kondensacyjnego opalanego gazem ziemnym.

Rodzaje pomp ciepła w zależności od źródła energii

Pompa powietrzna – pompa ciepła powietrze-woda

Źródłem energii jest dla tej pompy ciepła powietrze zewnętrzne. Urządzenie przypomina klimatyzator i rzeczywiście, służąc do ogrzewania pomieszczeń albo przygotowania ciepłej wody użytkowej, może latem również chłodzić. Są to pompy określane jako rewersyjne. Pompa ciepła powietrze-woda ma jako ogrzewanie wielką zaletę: zawarte w powietrzu ciepło jest niewyczerpalne, emisja szkodliwych substancji zerowa, a dostępność źródła energii o każdej porze.

Działanie pompy powietrznej polega na zasysaniu ogrzanego przez słońce powietrza i przekazywaniu go do wymiennika ciepła systemu grzewczego. Użyte powietrze jest następnie zwracane do atmosfery. Opinie, jakoby pompa powietrzna mogła pracować jedynie przy dodatnich temperaturach, nie są prawdziwe. Zakres temperatur dla tego typu urządzeń wynosi od -25°C do +45°C. Kiedyś za dolną granicę temperatury uważano -5°C, jednak nowego rodzaju sprężarki umożliwiają działanie pompy ciepła również w warunkach zimowych.

Wprawdzie ciepło w powietrzu istnieje aż do temperatury zera bezwzględnego, czyli -273°C, ale na opłacalną efektywność pompy powietrznej w czasie dużych mrozów nie ma co liczyć. Do sprężania powietrza i przenoszenia energii cieplnej na wyższy poziom potrzebna jest energia elektryczna. Chociaż więc źródło ciepła, czyli powietrze, jest pozyskiwane bez kosztów, to już napęd pompy może się okazać bardzo drogi. Ogrzewanie domu stanie się praktycznie ogrzewaniem elektrycznym.

Zalety pompy powietrznej:

• koszty eksploatacji niższe niż w przypadku ogrzewania gazowego albo olejowego;
• możliwy montaż zewnętrzny pompy;
• niewielkie zapotrzebowanie na miejsce (ok. 1 m²);
• praca przyjazna dla środowiska, szczególnie z wykorzystaniem prądu elektrycznego z OZE;
• całkowita niezależność od paliwa.

Wady pompy powietrznej:

• stosunkowo wysokie koszty instalacji;
• głośna praca urządzenia;
• wyższe koszty energii elektrycznej w porównaniu z innymi rodzajami pomp ciepła. Temperatura zewnętrznego powietrza ulega dużym wahaniom i do stabilnej pracy pompa potrzebuje więcej prądu niż pompa gruntowa.

Pompa wodna – pompa ciepła woda-woda

Źródłem energii są dla tej pompy podziemne cieki wodne. Głębinowa pompa pobiera wodę z jednej studni, woda oddaje ciepło w wymienniku ciepła i zostaje przemieszczona do drugiej studni w kierunku cieku. Warunkiem stabilnej pracy systemu grzewczego opartego na cieple zawartym w wodach podziemnych, jest odpowiednio duża wydajność cieków. Stała temperatura wód gruntowych rzędu 7-12°C stanowi przeciwieństwo dla wciąż wahającej się temperatury czynnika grzewczego pomp powietrznych.

Główne zalety pomp ciepła woda-woda to:

• dobry stopień sprawności; energia elektryczna zużyta do napędu pompy zostaje co najmniej czterokrotnie zwielokrotniona w stosunku do energii cieplnej dostarczanej przez pompę;
• pompa ciepła woda-woda jest w stanie samodzielnie zapewnić ogrzewanie domu – dodatkowe źródło ciepła jest zbędne;
• koszty eksploatacyjne są na tyle niskie, że amortyzacja instalacji jest możliwa po 10-12 latach;
• koszty ogrzewania pompą ciepła woda-woda są znacznie niższe, niż tradycyjnego ogrzewania opałem kopalnym;
• technika pompy ciepła jest dopracowana: ogrzewanie działa bezawaryjnie, komfortowo i jest trwałe;
• system grzewczy z użyciem pompy ciepła woda-woda nie wymaga – w odróżnieniu od tradycyjnych kotłów na gaz, olej opałowy albo pellet – żadnego magazynowania opału, dzięki temu koszt budowy nowego domu staje się potencjalnie niższy.

Pompa gruntowa – pompa ciepła solanka-woda

Ogrzewanie z ziemi jest rozwiązaniem najbardziej efektywnym. Źródłem ciepła jest w tym typie pompy energia słoneczna skumulowana w gruncie. Aby odebrać ciepło z ziemi i przekazać je do systemu grzewczego, konieczny jest specjalny wymiennik. Praktycznie jest to umieszczona w ziemi rura tworząca pętlę. W rurze krąży ciecz zwana solanką. W parowniku pompy temperatura cieczy obniża się poniżej temperatury gruntu. Płynąc w ziemi solanka przyjmuje ciepło i ponownie podnosi swoją temperaturę – cykl się powtarza. Wymienniki ciepła mogą być zbudowane na dwa sposoby:

Wymiennik poziomy to rury z tworzywa sztucznego ułożone poziomo w formie pętli na głębokości 0,2-0,5 m poniżej poziomu zamarzania, zwykle jest to około 1,5 m. na tej głębokości temperatura gruntu jest w przybliżeniu stała i wynosi 7-8°C.  Pompa sprężarki podnosi temperaturę krążącego czynnika (roztwór glikolu) do +35°C przy współczynniku efektywności pompy rzędu 4, co oznacza czterokrotne powiększenie pobranej wstępnie energii elektrycznej. Odstępy między odcinkami rur powinny być zachowane w przedziale 0,4 m do 1,2 m i dostosowane do rodzaju gruntu. Krótko mówiąc, odstępy muszą być takiej wielkości, aby umożliwiły szybkie uzupełnienie (regenerację) ciepła w gruncie. Naturalnie, moc cieplna wymiennika nie bierze się z długości ułożonej rury, ale zależy wprost od wielkości powierzchni, na jakiej jest ułożony. Szkodliwe są więc zarówno odstępy zbyt małe (trzeba zastosować dłuższą rurę, a co się z tym wiąże większą moc pompy obiegowej), jak i zbyt duże (mniej odbieranego ciepła i mniejsza moc wymiennika).

Wymiennik pionowy – w pionowe odwierty o głębokości do 150 m umieszcza się rury z tworzywa sztucznego w formie wąskiej litery „U”. Do ogrzewania domu jednorodzinnego wykonuje się dwa-trzy takie odwierty. Głębinowa pompa tłoczy solankę, która w gruncie stopniowo się ogrzewa. W odróżnieniu od wymiennika poziomego zajmującego kilkaset metrów kwadratowych, wymiennik pionowy mieści się na kilkudziesięciu metrach powierzchni. Konieczna jest tylko odpowiednio duża ilość czynnika (solanki).

Pompa ciepła w starym i nowym domu

Pompy ciepła wykazują największą efektywność pracując w niskiej temperaturze czynnika w obiegu C.O. Za taką uważa się temperaturę do +35°C. Pompa ciepła jest oczywiście w stanie osiągnąć temperaturę wyjściową nawet powyżej +50°C, ale odbywa się to kosztem znacznego nakładu energii elektrycznej. Najlepiej współpracują z pompami ciepła systemy grzewcze niskotemperaturowe – podłogowe, ścienne i sufitowe.

Ogrzewanie pompą ciepła jest możliwe również w starym budownictwie. Przede wszystkim wtedy, gdy planowany jest gruntowny remont domu połączony z wymianą ogrzewania na powierzchniowe. Aby tradycyjne grzejniki współpracowały z pompą ciepła, konieczne jest przeliczenie ich wielkości na nowe parametry temperatury. W praktyce oznacza to grzejniki na ścianach znacznie większe i grubsze niż dotychczas. Każda instalacja z pompą ciepła wymaga szczegółowych przeliczeń i starannego wykonania. Instalację grzejnikową można łatwo poprawić dodając grzejnik albo wymieniając na większy, natomiast instalacji powierzchniowej nie da się praktycznie skorygować.

Marek Lont