Pompy ciepła - tanie w eksploatacji

Pompy typu powietrze/woda nie
wymagają wykonania instalacji po stronie
źródła dolnego. To ich atut i przyczyna
rosnącej popularności. HEWALEX

Odpowiednio dobrana pompa ciepła jest bardzo tania w eksploatacji i bezobsługowa. Co ważne, można ją zainstalować w każdym domu i na każdej działce - konieczny jest tylko dostęp do energii elektrycznej. Wybór wymaga jednak wyjątkowej staranności i zrozumienia specyfiki funkcjonowania pomp ciepła.

Działanie pompy ciepła

Pompy ciepła to urządzenia grzewcze pracujące jednak zupełnie inaczej niż kotły. Przede wszystkim same nie wytwarzają ciepła. Czerpią je z otoczenia - z ziemi, powietrza lub wody - przetwarzają do użytecznej postaci i przekazują do instalacji grzewczej budynku.

Miejsce, z którego pompa pobiera ciepło, nazywa się źródłem dolnym, zaś to, gdzie je oddaje źródłem górnym. Problem polega na tym, że temperatura źródła dolnego jest niższa niż źródła górnego. Przepływ ciepła nie może więc odbywać się w sposób naturalny, żeby był możliwy konieczna jest praca sprężarki i naprzemienne sprężanie i rozprężanie gazowego czynnika roboczego. Temperatura gazu rośnie bowiem przy sprężaniu. Z kolei spadek jego ciśnienia, szczególne przejście z postaci płynnej do gazowej, wiąże się z pochłonięciem znacznych ilości ciepła z otoczenia.

Gaz krąży w obiegu zamkniętym, jego parowanie odbiera ciepło z otoczenia, a skraplanie umożliwia przekazanie energii do instalacji ogrzewającej budynek. Dokładnie taki sam proces zachodzi w lodówkach i klimatyzatorach, z tą różnicą, że w ich przypadku chodzi nam o wykorzystanie chłodzącej, a nie grzejącej części obiegu.

Zysk polega na tym, że choć pompa zużywa prąd, to około 3/4 oddawanego ciepła i tak pochodzi ze źródła dolnego.

Działanie pompy ciepła polega na ciągłym sprężaniu i rozprężaniu czynnika roboczego,
przenoszącego ciepło ze źródła dolnego do górnego.

Źródła dolne

Miejsce, z którego pompa odbiera ciepło, nazywane jest tradycyjnie źródłem dolnym. Najczęściej to:

• grunt - instalacja dolnego źródła to wówczas zakopana na głębokości ok. 1,5 m wężownica z rur, wypełnionych płynem niezamarzającym, nazywana kolektorem poziomym. Drugi wariant to kolektor pionowy, czyli rury, umieszczone w głębokich na kilkadziesiąt metrów odwiertach;
• wody powierzchniowe (staw, rzeka) lub podziemne czerpane z jednej studni, a następnie wtłaczane drugą pod ziemię;
• powietrze zewnętrzne;
• powietrze wentylacyjne - ciepło powietrza usuwanego przez wentylację służy zwykle do podgrzewania c.w.u.

Rodzaj źródła dolnego ma zasadnicze znaczenie ze względu na to, ile miejsca trzeba wygospodarować na działce, jaki zakres prac jest na niej potrzebny oraz to, jakie będą koszty pracy pompy ciepła.

Przy projektowaniu instalacji zwykle przyjmuje się następującą temperaturę źródła dolnego:

• + 10°C - woda gruntowa oraz głębokie odwierty pionowe;
• + 4°C - kolektor ułożony na dnie stawu;
• 0°C - poziomy kolektor gruntowy;
• +2°C - powietrze zewnętrzne - z zastrzeżeniem, że jego temperatura może spaść nawet poniżej -20°C.

Wyższa temperatura źródła dolnego to potencjalnie większa sprawność pompy, a więc niższe koszty eksploatacji. Gdy potrzebujemy po stronie źródła górnego np. +30°C, to łatwiej je uzyskać dysponując po stronie źródła dolnego temperaturą +10°C niż 0°C. Pompa wykonuje mniejszą pracę. Jednak ze względu na częste problemy spowodowane fatalnym składem wód podziemnych oraz wysokie koszty odwiertów powodują, że wykorzystuje się też pozostałe, mniej korzystne energetycznie, rodzaje źródeł dolnych.

Kolektor poziomy łatwo wykonać i jest niedrogi. Jednak potrzeba na niego kilkaset metrów kwadratowych terenu, którego nie można zabudować ani zasadzić wysoką roślinnością. Na typowych, małych działkach nie wchodzi to w grę. Z kolei staw na działce to przypadek jeszcze rzadszy. Za to powietrzną pompę ciepła można zainstalować na każdej posesji i stąd ich rosnąca popularność.

Pompa ciepła może pozyskiwać energię na różne sposoby: z gruntu za pomocą kolektora
poziomego (a) lub pionowego (b), z wody gruntowej bądź powierzchniowej (c) z powietrza (d).

Jaka moc?

Pompa ciepła nie zajmuje zbyt wiele
miejsca, niektóre modele można nawet
wpasować w rząd mebli.
ALPHA INNOTEC (HYDRO-TECH)

Najczęściej w domach jednorodzinnych instaluje się pompy o mocy około 10 kW. Jednak powinno się ją dokładniej dopasować do potrzeb cieplnych budynku niż robi się to z kotłem. Tak pompa zbyt słaba, jak i o zawyżonej mocy będzie przysparzać kłopotów. Ponadto o ile kocioł o wyższej mocy jest zwykle tylko minimalnie droższy, to pompa będzie znacznie kosztowniejsza. Nie można też zapominać, że pompa o większej mocy potrzebuje też większego źródła dolnego, to zaś następne koszty.

Gdy w instalacji jest też kocioł lub grzałki elektryczne, to w zasadzie jedynym skutkiem dobrania pompy o zbyt niskiej mocy będzie częste włączanie tradycyjnego źródła ciepła, a co za tym idzie wyższe koszty eksploatacji. Jeśli zaś urządzenie będzie miało zawyżoną moc, to efektem będą częste włączenia oraz wyłączenia, chyba że będzie to urządzenie inwerterowe, czyli pracujące ze zmienną mocą, w zależności od potrzeb.

Tak więc, wybór pompy nie może być dokonany pochopnie. Z pomocą specjalisty powinniśmy rozważyć czy pompa ma w całości pokrywać zapotrzebowanie budynku na ciepło, czy też będzie współpracować z jakimś konwencjonalnym urządzeniem grzewczym (kotłem, kominkiem).

To układ popularny przede wszystkim w przypadku pomp czerpiących ciepło z powietrza, gdyż ich moc i sprawność zwykle bardzo spada przy niskiej temperaturze zewnętrznej. Takie rozwiązanie narzuca się też niemal samo w domach remontowanych, gdzie jakaś instalacja i kocioł już jest. Wówczas pomoc specjalisty jest nieodzowna, bo trzeba dopasować się do warunków zastanych w budynku. A od tego na ile dobrze pompa będzie pasować zależy jej sprawność i koszty eksploatacyjne.

Sprawność pompy

COP (Coefficient of performance) to współczynnik wyrażający stosunek ilości dostarczonego ciepła do ilości energii (zwykle elektrycznej) zużytej przez pompę. Warto jeszcze dodać, że ilość uzyskanego ciepła to suma ilości energii wyciągniętej z dolnego źródła oraz zużytej energii elektrycznej.

Im COP jest większy, tym uzyskanie tej samej ilości ciepła wymaga mniejszego nakładu w postaci energii elektrycznej, za którą płacimy. Tak więc dążenie do zwiększenia wartości tego współczynnika jest z ekonomicznego punktu widzenia w pełni uzasadnione.

Jednak COP pompy nie daje bynajmniej pełnej informacji o kosztach użytkowania całej instalacji. Nie tylko pompa ciepła pobiera energię. Są jeszcze pompy obiegowe górnego i dolnego źródła, które w źle zaprojektowanych instalacjach potrafią zużywać niemal drugie tyle prądu, pompa może mieć grzałki elektryczne uruchamiane przy skrajnie niskiej temperaturze zewnętrznej itp.

Niestety, COP wyznacza się w ściśle określonych warunkach - dla konkretnej temperatury po stronie źródła dolnego i górnego. W rzeczywistości zaś parametry pracy mogą zmieniać się w bardzo szerokich granicach. Szczególnie w przypadku urządzeń powietrze/woda, gdzie kluczowe znaczenie ma bardzo zmienna temperatura zewnętrzna. Podobne znaczenie ma też temperatura wody w instalacji, po stronie źródła górnego. Ostatecznie liczy się przecież różnica temperatury pomiędzy źródłem dolnym i górnym.

Koszt instalacji z pompą ciepła zależy nie tylko od ceny samego urządzenia, ale także od
kosztu wykonania źródła dolnego. Jednym z wariantów jest poziomy kolektor gruntowy. Jego
wykonanie nie jest drogie, ale trzeba dysponować odpowiednio dużą działką. CLIMA KOMFORT

Dlatego żeby rzetelnie ocenić sprawność instalacji z pompą potrzebna jest fachowa wiedza oraz szczegółowa dokumentacja, np. wykresy pokazujące wartość COP w zależności od warunków. Część producentów podaje z tego względu także tzw. sezonowy wskaźnik efektywności - SPF (Sesonal Performance Factor), który najogólniej mówiąc jest uśrednioną wartością COP, liczoną z uwzględnieniem zmian warunków pracy zachodzących w ciągu roku. Jednak trzeba sprawdzić, czy policzono SPF wedle tych samych założeń, np. dla tej samej strefy klimatycznej. Ponadto obecnie pompy, jak i kotły, muszą mieć tzw. etykiety energetyczne.

Pompa ciepła najlepiej współpracuje z ogrzewaniem płaszczyznowym:
podłogowym (a PIPELIFE), ewentualnie ściennym lub sufitowym (b HADWAO).

Kłopot w tym, że procedura ich wyznaczania jest wyjątkowo zawiła. Klasa energetyczna może być co najwyżej kryterium wstępnej selekcji. Przed podjęciem decyzji o zakupie dokumentację urządzenia musi wziąć pod lupę specjalista-projektant. Tylko on będzie potrafił właściwie ocenić wszystkie parametry i przydatność tego właśnie urządzenia w konkretnym domu. Amator może zaś łatwo nabrać się na rozmaite marketingowe slogany, przeoczyć istotną wadę sprzętu albo nie zauważyć w ogóle, że brakuje czegoś ważnego w danych technicznych.

Źródło górne

Typowe grzejniki w instalacji z pompą
ciepła musiałyby być wyjątkowo duże. Można
też wybrać specjalną pompę, która jest
w stanie mocniej podgrzewać wodę.
REGULUSSYSTEM

Najlepiej jeżeli pompa współpracuje z ogrzewaniem płaszczyznowym, czyli podłogowym, sufitowym lub ściennym. Wynika to z faktu, że wówczas temperatura wody w obiegu grzewczym, czyli po stronie źródła górnego jest bardzo niska, a to przekłada się na wysoką sprawność urządzenia i niskie koszty eksploatacji. Nie znaczy to jednak, że pompa nie jest w stanie współdziałać z grzejnikami. Nie będzie to jednak instalacja identyczna z zasilaną przez kocioł.
W takiej sytuacji należy zdecydować się na przynajmniej jedno z poniższych rozwiązań:

• znacznie powiększyć typowe grzejniki;
• zastosować grzejniki o innej konstrukcji, np. klimakonwektory, które charakteryzuje wysoka moc grzewcza przy niskiej temperaturze wody zasilającej;
• kupić specjalną tzw. wysokotemperaturową pompę ciepła, która podgrzewa wodę do wyższej temperatury, nawet ok. 65°C.

Trzeba jednak podkreślić, że niskotemperaturowe ogrzewanie płaszczyznowe jest korzystniejsze dla sprawności pompy i należy je polecić jako pierwszy wybór. Jednak z rozmaitych względów nie każdy chce się zdecydować na ogrzewanie płaszczyznowe albo mamy już istniejący, wykończony budynek, w którym zmiana systemu grzewczego byłaby bardzo trudna.

Pompy do c.w.u.

Pompy tylko do c.w.u. najczęściej
są zintegrowane ze zbiornikiem wody
o pojemności 200-300 l. DE DIETRICH

Jeśli i tak mamy pompę ogrzewającą dom, kupowanie drugiej tylko do c.w.u. nie ma sensu. W pozostałych przypadkach warto to rozważyć.

Pompy ciepła przeznaczone tylko do przygotowania c.w.u. stanowią bardzo specyficzną grupę urządzeń:

• pracują w systemie powietrze/woda;
• mają niewielką moc, najczęściej około 2 kW;
• zwykle mogą efektywnie pracować tylko przy temperaturze powyżej 0°C;
• ich sprawność jest niższa niż pomp do ogrzewania domu;
• muszą współpracować z zasobnikiem wody, nie są w stanie działać przepływowo. Zbiornik powinien być duży (200-300 l), tak aby nie trzeba było mieszać wody ciepłej i zimnej w bateriach czerpalnych.

Ich ogromną zaletą jest łatwość instalacji. Wystarczy zasilanie elektryczne ze zwykłego gniazdka, przyłącze wody i ewentualnie dwa przewody powietrzne, jeżeli pompa ma pracować na powietrzu zewnętrznym. Przy tym ich cena jest stosunkowo niska (od ok. 5000 zł wraz z zasobnikiem). W związku z tym są interesującą alternatywą dla kolektorów słonecznych.

Eksploatacyjnie nie są wprawdzie tak tanie, ale kosztują mniej i są bardziej przewidywalne z racji mniejszej zależności od warunków atmosferycznych. Nasłonecznienie nie ma przecież znaczenia, liczy się tylko temperatura powietrza i pompa może równie dobrze pracować w nocy. Przy tym nie ma np. ryzyka przegrzania, gdy latem wyjedziemy na urlop i nikt nie korzysta z wody. Po prostu pompa się nie włącza.

Koszty pompy ciepła

Małe pompy ciepła przeznaczone tylko do
c.w.u. są stosunkowo niedrogie, a ponadto
łatwe w montażu - również w wykończonym
już domu. GALMET

Sprawa kosztów pompy ciepła ma dwa istotne aspekty - koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne.

Za pompę o mocy ok. 10 kW wraz z instalacją dolnego źródła zapłacimy:

• 20 000-35 000 zł - pompa wykorzystująca powietrze zewnętrzne, nie potrzeba instalacji po stronie źródła dolnego;
• 30 000-50 000 zł - pompa z poziomym kolektorem gruntowym;
• 40 000-60 000 zł - pompa z pionowym kolektorem gruntowym (sondy).

Jak widać koszty inwestycyjne są stosunkowo wysokie i wciąż są główną barierą utrudniającą upowszechnienie się tych urządzeń. Należy jednak pamiętać o niskich kosztach eksploatacji.

Średni koszt ciepła pochodzącego z pompy będzie porównywalny jak przy dobrym kotle węglowym (0,12-0,15 zł/kWh), jeżeli mamy pompę typu grunt/woda lub woda/woda. Z kolei dla modeli powietrze/woda koszt będzie wyższy, podobny jak w przypadku dobrego kotła na gaz ziemny (0,21-0,25 zł/kWh). Jednak największa różnica jest widoczna w przypadku droższych nośników energii jak gaz płynny, olej opałowy i prąd (0,40–0,65 zł/kWh). Zaletą pompy jest przy tym fakt, że działka nie musi mieć dostępu do sieci gazowej. A taką ziemię kupimy często wyraźnie taniej.

Ważny jest również aspekt ekologiczny. Pompa nie zanieczyszcza otoczenia i możliwości jej instalacji nie ograniczają lokalne przepisy zakazujące np. używania kotłów na paliwa stałe.