Z gruntu czy z wody
Obecnie rynek pomp ciepła to dwie, zasadniczo odmienne, klasy urządzeń:
- pompy do ogrzewania budynków, przez co muszą mieć znaczną moc. Zwykle służą także do przygotowania c.w.u. Niektóre umożliwiają również chłodzenie domu;
- pompy wyłącznie do przygotowywania ciepłej wody użytkowej. To urządzenia wykorzystujące powietrze jako źródło dolne, o niewielkiej mocy, najczęściej zblokowane ze zbiornikiem wody.
Nie są to więc rozwiązania konkurencyjne. Pompy z tych grup są za to alternatywą odpowiednio dla kotłów (ogrzewanie budynku) albo kolektorów słonecznych (c.w.u.). Przez ostatnie lata wyraźnie upowszechniły się pompy do c.w.u. i to one ciągną ku górze statystyki sprzedaży. Głównie dlatego, że ich zainstalowanie, nawet w już wykończonym domu, jest łatwe, a cena przystępna.
Pompa ogrzewająca budynek może być już fabrycznie wyposażona w zbiornik c.w.u., wówczas poza samym podłączeniem rur wodociągowych nie trzeba robić nic więcej. Jednak przeważnie musimy kupić zbiornik oddzielnie – o dużej pojemności (ok. 200 l dla 4 osób) i z wężownicą o dużej powierzchni.
Wszystko dlatego, że pompa będzie funkcjonować najbardziej ekonomicznie, podgrzewając wodę do takiej temperatury, przy której w bateriach nie mieszamy jej już z zimną. Z kolei duża wężownica jest niezbędna ze względu na niską temperaturę pracy pompy, inaczej wymiana ciepła nie będzie efektywna. W niektórych modelach pomp ciepła należy jeszcze dokupić do standardowego zestawu moduł do przygotowania c.w.u. Z tej racji przed zakupem dopytajmy o to sprzedawcę.
Dodatkową funkcją pomp ciepła, cenną dla części użytkowników, jest chłodzenie domu. Pompy, których źródłem dolnym jest powietrze zewnętrzne działają wówczas w sposób analogiczny do klimatyzatora. To tzw. chłodzenie aktywne, pochłaniające sporo prądu. Z kolei w systemach z pompami wykorzystującymi grunt lub wody podziemne, możliwe jest tzw. chłodzenie pasywne, kiedy sama pompa ciepła nie działa, zaś źródłem chłodu jest po prostu grunt albo woda, którego temperatura nawet latem wynosi najwyżej kilkanaście stopni.
Jednak nie każdy producent przewiduje pracę w trybie chłodzenia pasywnego. Zastosowanie pomp ciepła do chłodzenia domu omówimy szerzej nieco dalej. Reasumując, pierwsza najważniejsza decyzja dotyczy tego, czemu ma służyć pompa ciepła.
Dolne źródło ciepła
Jeżeli pompa ma ogrzewać budynek, to zasadniczą sprawą jest wybranie źródła dolnego, z którego pompa będzie czerpać ciepło. Przypomnijmy tu zasadniczą różnicę pomiędzy kotłem a pompą. Ta druga ciepła nie wytwarza. Ona jedynie czerpie je z otoczenia, przekształca i przenosi do wnętrza budynku, gdzie ciepło rozprowadza instalacja grzewcza stanowiąca tzw. źródło górne – najczęściej ogrzewanie płaszczyznowe, rzadziej grzejniki ścienne.
Ze sposobu pracy wynika zasadniczy wniosek. Żeby pompa osiągnęła deklarowaną przez producenta moc grzewczą, musi mieć do dyspozycji wydolne źródło dolne – odpowiednio duże i o wystarczająco wysokiej temperaturze. Inaczej po prostu nie będzie miała skąd pobrać ciepła.
Niestety, na wielkości, zatem i kosztach wykonania, źródła dolnego stara się oszczędzać wielu wykonawców. A przeciętny inwestor chętniej kupi pompę o większej mocy, niż dopłaci za dodatkowe pętle kolektora ziemnego. I tu popełni poważny błąd.
Możliwe źródła dolne to:
- grunt – kolektor poziomy to zakopane na głębokości ok. 1,5 m wężownice z rur wypełnionych płynem niezamarzającym, sondy pionowe to zaś rury umieszczone w głębokich na kilkadziesiąt metrów odwiertach;
- wody powierzchniowe (staw, rzeka);
- wody podziemne, mamy wówczas studnię czerpną i zrzutową;
- powietrze zewnętrzne (urządzenia wykorzystujące to źródło omówimy szerzej w kolejnym artykule);
- bezpośrednie odparowanie – kolektor poziomy tworzą rury wypełnione czynnikiem roboczym pompy, co podnosi nieco sprawność układu (eliminujemy jeden wymiennik ciepła).
Przy wyborze ograniczają nas przede wszystkim warunki działki. Tylko powietrze zewnętrzne jest dostępne wszędzie i w dowolnej ilości. Z kolei wody powierzchniowe i podziemne zaledwie na niewielu posesjach. Przy okazji trzeba podkreślić, że do praktycznego wykorzystania wody podziemne często się nie nadają, ze względu na dużą zawartość żelaza i innych zanieczyszczeń, błyskawicznie zamulających instalację i same studnie.
Kolektor poziomy jest łatwy do wykonania i relatywnie tani, lecz musimy na niego przeznaczyć kilkaset metrów kwadratowych terenu. I w tym miejscu nie można niczego wybudować, utwardzić powierzchni ani nawet sadzić większych roślin. To rozwią- zanie tylko dla właścicieli bardzo dużych działek.
Kolektory pionowe nie zajmują zbyt wiele miejsca, można się więc na nie zdecydować na większości parceli. Jednak należy pamiętać, że jest to przedsięwzięcie dosyć drogie, wydatek rzędu kilkunastu tysięcy złotych.
W szczególnej sytuacji są ci, którzy mają już zagospodarowaną działkę. Prace ziemne to wówczas spore wyzwanie i perspektywa zniszczenia ogrodu. Jak widać, decyzja wymaga rozważenia wielu za i przeciw. Z tej perspektywy zrozumiała jest rosnąca popularność pomp wykorzystujących powietrze zewnętrzne. Ich źródło dolne ma niestabilną temperaturę i jest mniej wydolne, za to instalacja nie stwarza problemów.
Klimatyzacja z pompy
Pompę ciepła może też wykorzystać do chłodzenia budynku, ale nie każdy jej model na to pozwala. Urządzenia typu powietrze/woda (lub powietrze/powietrze) muszą mieć możliwość tzw. odwróconego (rewersyjnego) trybu pracy. Podobnie jak klimatyzatory, do chłodzenia wymagają działania sprężarki. Dlatego mówimy o chłodzeniu aktywnym.
W przypadku pomp typu grunt/woda oraz woda/woda, wystarczy wymiennik ciepła i praca pomp obiegowych górnego i dolnego źródła, by ciepło z wnętrza domu (temperatura ok. 25°C) przekazać do gruntu (ok. 10°C). Ruch ciepła odbywa się przy tym od ciała cieplejszego do chłodniejszego, sprężarka pompy nie musi więc pracować.
W związku z tym chłodzenie to nazywamy pasywnym. Pompa musi mieć dostosowany do tego sposobu funkcjonowania układ połączeń hydraulicznych. Najczęściej producenci sprzedają po prostu opcjonalne moduły chłodzenia pasywnego do swoich pomp. Zasadniczo jednak da się dodać do systemu taki moduł złożony przede wszystkim z wymiennika ciepła, nawet jeżeli producent tego nie przewidział.
Chłodzenie pasywne jest bardzo wydajne energetycznie – zużycie prądu jest małe, potrzebny jest tylko do pracy pomp obiegowych.
Chłodzenie budynku z wykorzystaniem pompy ciepła podlega pewnym ograniczeniom, szczególnie gdy mamy grzejniki ścienne. Ich temperatura nie może być przesadnie niska, bo zacznie się na nich wykraplać wilgoć (para wodna) z powietrza.
Lepiej jest w przypadku podłogówki, tutaj duża powierzchnia rekompensuje niewielką różnicę temperatury. Jednak wadą takiej chłodzonej podłogi jest fakt, że zimne powietrze utrzymuje się tuż nad nią. Do chłodzenia najlepsze są instalacje sufitowe – strop może mieć dość niską temperaturę i nie odczuwamy tego jako dyskomfortu, skoro nie mamy z nim bezpośredniego kontaktu. Ponadto ochłodzone powietrze samoczynnie opada.
Specyficzną grupę stanowią niezbyt popularne u nas pompy typu powietrze/powietrze. Ich jednostki zewnętrzne są podobne do tych stosowanych w klimatyzatorach. Mamy więc ogrzewanie lub chłodzenie dzięki strudze powietrza.
Tylko c.w.u.
Dobór pompy do c.w.u. nie jest specjalnie trudny. Zdecydowanie najpopularniejsze są urządzenia zblokowane z dużym, stojącym zbiornikiem o pojemności 200–300 l. Żeby działały, wystarczy podłączyć do nich rury ciepłej i zimnej wody oraz włożyć wtyczkę do gniazdka elektrycznego.
W takiej wersji powietrze będziemy czerpać z wnętrza domu, co oznacza jego wychładzanie. Dlatego lepiej wyprowadzić na zewnątrz kanały powietrzne – przez ścianę albo dach.
Kluczowe jest więc wygospodarowanie odpowiedniego miejsca. Bywa to problematyczne, bo zbiornik 200 l to już całkiem pokaźna beczka. Gdy przestrzeni brakuje, albo mamy już duży zasobnik c.w.u., warto pomyśleć o pompie sprzedawanej bez zbiornika. Mogą one być:
- podłączane do wężownicy lub płaszcza wodnego zbiornika. Producent pompy określa, jaką muszą mieć powierzchnię, żeby wymiana ciepła była wystarczająco efektywna (wężownice często są małe, dostosowane tylko do kotłów);
- wyposażone we własny wymiennik ciepła. Wtedy wężownica nie jest w ogóle potrzebna. Pompa podgrzewa wodę i kieruje ją do zbiornika.
Typowe wyposażenie dodatkowe pomp do c.w.u. to grzałka elektryczna. Dzięki niej można w razie potrzeby szybciej podgrzać wodę oraz zapewnić ją, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest zbyty niska dla pompy.
Jeżeli powietrze czerpiemy spoza budynku, to pompy tego rodzaju są w stanie działać przy temperaturze zewnętrznej ok. 0°C. Dopuszczalną minimalną temperaturę zewnętrzną warto jednak sprawdzić, bo dla jednego urządzenia będzie to np.+7°C, dla innego zaś -7°C. Kilkunastostopniowa różnica to dużo. Przesądza o tym, o ile będziemy musieli dogrzewać wodę w inny sposób wiosną i jesienią.
Temperatura źródła dolnego
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
Temperatura źródła górnego
Dla sprawności pompy korzystne jest podgrzewanie wody do jak najniższej temperatury. Przekłada się to na wysoki współczynnik sprawności COP, a co za tym idzie – niskie koszty eksploatacji. Dlatego w domach z pompą ciepła pierwszym wyborem powinno być ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe, sufitowe, ścienne), projektowane dla temperatury zasilania ok. 35°C.
Przykładowo ta sama pompa ma COP 4,3, przygotowując wodę o temperaturze 35°C, zaś przy 45°C już tylko 3,3. A w takiej sytuacji rachunek ekonomiczny jest coraz mniej korzystny.
Przypomnijmy, że COP określa stosunek ilości oddanego ciepła do ilości pobranej ilości energii elektrycznej. Jeżeli pompa oddając 10 kW, pobiera 3 kW prądu, to COP wynosi 3,3.
Jaka moc?
Z mocą pompy ciepła nie należy przesadzać. Generalnie, powinna ona odpowiadać zapotrzebowaniu budynku na ciepło, chyba że przewidujemy układ biwalentny – wtedy może być niższa. Przypomnijmy, że pompa sama nie wytwarza ciepła, lecz pobiera je z otoczenia. W związku z tym decydując się na model o większej mocy, musimy powiększyć też źródło dolne. Bez tego pompa będzie funkcjonować źle. W skrajnym przypadku tak wymrozi nasze źródło dolne, że całość przestanie działać.
Konieczne jest tu zastrzeżenie, że efekty zawyżenia mocy pompy mogą być odczuwalne w niewielkim stopniu, jeśli jej sprężarka ma możliwość płynnej regulacji mocy. W żadnym razie nie należy jednak traktować tego jako zachęty do kupna „przewymiarowanych” urządzeń.
Po pierwsze – zapłacimy za nie więcej, a po drugie – ten zapas mocy i tak może być przyczyną problemów, skoro zakres regulacji jest ograniczony. Kiedy na zewnątrz panuje tzw. obliczeniowa temperatura -20°C (dla większości kraju), zarówno poprawnie dobrana, jak i „przewymiarowana” pompa będą pracować właściwie – ta druga po prostu z obniżoną mocą. Aczkolwiek przez większość sezonu temperatura jest znacznie wyższa. Gdy na zewnątrz jest ok. +7°C, wystarcza zaledwie 30% projektowanej mocy grzewczej.
Pompa dobrana bez zapasu będzie w stanie nadal pracować (szczególnie jeśli też ma regulację mocy), zaś dla tej „przewymiarowanej” dostępny zakres regulacji zostanie najpewniej przekroczony.
Przy obecnych standardach ciepłochronności budynków, nowy dom o powierzchni 150 m² nie będzie raczej potrzebował pompy mocniejszej niż 10 kW. I mniej więcej takie pompy uwzględniliśmy w naszym zestawieniu (patrz na str. 66). Jednak pamiętajmy, że dobór pompy powinno poprzedzić staranne zaprojektowanie całego układu grzewczego.
