Pompy ciepła

ZASADA DZIAŁANIA

Ulubionym porównaniem sposobu pracy pompy ciepła używanym przez producentów jest zasada działania lodówki. Pompa pobiera ciepło z otoczenia o niskiej temperaturze i przekazuje je do pomieszczenia o wyższej temperaturze.

Ciepło do ogrzewania domu może być „pompowane” z gruntu, wody lub z powietrza. Lodówka natomiast wypompowuje ciepło (zostaje chłód) ze swojego wnętrza i przekazuje je na zewnątrz. Pompa ciepła jest napędzana energią elektryczną. Jest ona potrzebna pompie do przeniesienia ciepła z dolnego źródła (powietrze, grunt lub woda) do górnego (instalacja ogrzewania).

O ile lodówka zużywa sporo energii na wytworzenie chłodu, to układ odwrócony, jakim jest sprężarkowa pompa ciepła potrafi z 1 kW energii elektrycznej wytworzyć w optymalnych warunkach cztero- i pięciokrotnie więcej energii cieplnej.

Jak to możliwe, że można zamienić energię na wartość pięciokrotnie większą? Pompa ciepła powoduje cykliczne zmiany stanu fizycznego czynnika chłodniczego, krążącego w instalacji pomiędzy dolnym i górnym źródłem ciepła: sprężanie, skraplanie, rozprężanie i parowanie. Chłodny czynnik obiegu dolnego źródła (np. glikol), płynąc w wężownicy, odbiera energię cieplną z gruntu, powietrza lub wody i następnie w parowniku oddaje ciepło zimnemu czynnikowi chłodniczemu (np. freon) obiegu wewnętrznego pompy ciepła.

Czynnik chłodniczy podgrzewa się i odparowuje, stając się gazem. Gaz ten zostaje sprężony przez sprężarkę. W wyniku sprężania powstaje ciepło, które jest przekazywane w skraplaczu do systemu instalacji centralnego ogrzewania budynku. Skroplony gaz po przejściu przez zawór rozprężny obniża swoje ciśnienie, ochładza się i przepływa do parownika, gdzie ponownie odbiera ciepło od czynnika obiegu dolnego źródła i proces ten powtarza się cyklicznie.

Podstawą działania pompy ciepła jest wzrost temperatury gazu przy jego sprężaniu i spadek temperatury przy rozprężaniu. Zjawiska te towarzyszą nam na co dzień, efekt ogrzewania przy sprężaniu powietrza zachodzi np. w pompce rowerowej, a przykładem chłodzenia wskutek rozprężania jest wylot gazu z puszki dezodorantu, która się oziębia.

Taka przemiana energii elektrycznej w pompie ciepła sprawia, że ogrzewanie takich samych budynków w przypadku zastosowania pompy ciepła powinno być przynajmniej cztero- lub nawet pięciokrotnie tańsze od ogrzewania grzejnikami elektrycznymi. Do scharakteryzowania pomp ciepła nie używa się typowego pojęcia sprawności, lecz współczynnika wydajności pompy ciepła, tzw. COP (Coefficient Of Performance), który jest równy stosunkowi uzyskanego w górnym źródle ciepła do włożonej pracy w pompach sprężarkowych. Jeżeli COP wynosi 5, to z 1 kW energii elektrycznej dostarczonej do pompy ciepła otrzymamy 5 kW energii cieplnej na potrzeby ogrzewania. Koszt ogrzewania za pomocą pompy ciepła jest porównywalny z kosztem ogrzewania budynku wysokosprawnym kotłem węglowym, czyli jest stosunkowo niski.

Skoro to takie tanie, to dlaczego nie jest stosowane powszechnie? Decydują o tym wysokie koszty inwestycyjne, które warto ponosić tylko w przypadku domów nowych lub poddanych gruntownej modernizacji i to tylko wtedy, gdy mają one niskie zapotrzebowanie na energię do ogrzewania, sprawną wentylację i dobrą izolację.

Aby stosować pompy ciepła, budynki muszą spełniać pewne warunki. Podstawowy to dobra izolacja przegród i niskie zapotrzebowanie na ciepło oraz zastosowanie niskotemperaturowego ogrzewania płaszczyznowego, czyli np. podłogowego lub ściennego (temperatura w instalacji około 28–34°C). Uzyskanie wyższych temperatur adekwatnych do potrzeb ogrzewania grzejnikowego i podłogowo-grzejnikowego jest technicznie możliwe, ale nie zawsze opłacalne. Pompa nie osiągnie bowiem już tak wysokiego COP dla temperatury zasilania instalacji ogrzewczej ponad 50°C. Niska temperatura zasilania instalacji zawsze wymaga dużych powierzchni oddawania ciepła do pomieszczenia, a to zapewnia ogrzewanie płaszczyznowe. Ogrzewanie pompą ciepła nie zada więc egzaminu w starych budynkach o dużym zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania i wyposażonych w grzejnikową instalację c.o.

System grzewczy oparty o pompę ciepła musi mieć dolne i górne źródło ciepła. Górnym jest instalacja ogrzewania (np. instalacja ogrzewania podłogowego), a dolnym – powietrze, woda lub grunt. Aby móc efektywnie korzystać z pompy ciepła, konieczne jest też zapewnienie jej dolnego źródła ciepła.

Powietrze. Dostęp do powietrza mamy wszędzie i bez ograniczeń, a inwestycja w pompę ciepła w tym układzie jest najtańsza – nie trzeba bowiem budować kosztownych kolektorów w ziemi albo studni. Taka inwestycja jest tańsza od kilku do kilkunastu tysięcy złotych i nie wymaga posiadania odpowiedniej wielkości działki, w przeciwieństwie do pomp czerpiących ciepło z gruntu lub wody. Jednak im więcej ciepła do ogrzewania potrzebujemy, czyli zimą, to w powietrzu jest go coraz mniej. W temperaturach poniżej +5°C pompa nie ma już tak korzystnego współczynnika COP, a w temperaturach ujemnych jej praca przypomina raczej działanie grzejnika elektrycznego. Instalacja zasilana pompą ciepła wymaga w okresach mroźnych dodatkowego źródła ciepła; może to być grzałka elektryczna zamontowana w zasobniku wody lub kocioł c.o. Wprawdzie w ostatnich latach, dzięki ciepłym zimom, udział dodatkowej energii z grzałki lub kotła wynosił średnio około 10% całkowitego zużycia w instalacjach zasilanych pompami ciepła powietrze-woda, to jednak biorąc te dane producentów, trzeba mieć na uwadze duże różnice w temperaturach pomiędzy regionami kraju. Inne są bowiem w Zielonej Górze, a inne w Suwałkach. Coraz częściej pompy powietrze-woda wykorzystują gruntowe wymienniki ciepła, przez które w mroźne dni przechodzi powietrze i ogrzewa się o kilka stopni, do temperatury powyżej 0°C. Postęp techniczny w budowie pomp ciepła powietrze-woda sprawia, że charakteryzują się one coraz wyższym COP i możliwością efektywnej pracy w coraz niższych temperaturach.

Grunt. Zdecydowaną większość instalowanych pomp ciepła stanowią w Polsce pompy z gruntowymi wymiennikami ciepła w różnych układach. Grunt jest najczęściej stosowanym źródłem ciepła, gdyż ma stabilną temperaturę. Z gruntu wykorzystujemy energię tzw. geotermii płytkiej. Jest to energia promieniowania słonecznego zmagazynowana w gruncie i wodach gruntowych. Stosuje się kilka rozwiązań i sposobów ułożenia kolektora gruntowego. Najczęściej wykonywane to układ kolektora spiralnego, płaskiego lub sond pionowych. Warunkiem zastosowania systemu gruntowego w układzie kolektora spiralnego lub płaskiego jest posiadanie odpowiedniej powierzchni gruntu do ułożenia rur kolektora. Można przyjąć, iż do ułożenia kolektorów w układzie poziomym potrzebujemy trzykrotnie, a niekiedy nawet pięciokrotnie większą powierzchnię niż powierzchnia ogrzewanego domu. Wymienniki takie, np. w postaci rur z polietylenu, układa się w ziemi poniżej strefy przemarzania. Projekt takiego wymiennika powinien być bardzo starannie przygotowany przez doświadczoną firmę i musi uwzględniać m.in. zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i podgrzewu c.w.u., a także rodzaj gruntu. Mokry i gliniasty daje bowiem więcej energii niż piaszczysty i suchy, a zatem potrzeba go mniej.

Stosuje się kolektory płaskie i próżniowe. Przy budowie kolektora płaskiego wykonuje się odkrywkę na całej jego powierzchni do wymaganej głębokości, a po ułożeniu instalacji zasypuje się ją. Spirale układa się w wykopach, np. szerokości 80 cm i odpowiedniej głębokości, zależnej od warunków miejscowych.

Różnica pomiędzy nimi jest taka, że wykopanie kilku rowów może być łatwiejsze niż zdjęcie np. dwumetrowej warstwy gruntu z dużej powierzchni działki. W obu przypadkach wymagana jest taka sama wielkość powierzchni działki. Jeśli działka jest za mała, można zastosować sondy pionowe, w których przepływający glikol lub solanka odbiera energię z gruntu w układzie zamkniętym. Wówczas stosuje się kilka sond oddalonych od siebie, z których każda stanowi oddzielny i zamknięty układ.

Woda. Bardzo dobrym nośnikiem ciepła są wody gruntowe. Na głębokości poniżej 6 m ich temperatura nie powinna spadać poniżej 7°C zimą; pompa może zatem pracować w optymalnych dla niej warunkach. Wody takie wykorzystuje się w układzie dwóch studni. Pierwsza do poboru wody, która jest pompowana na pompę ciepła, a następnie kierowana do studni zrzutowej. Jednak warunkiem zastosowana takiego systemu jest odpowiednia wydajność warstwy wodonośnej. Wody nie może zabraknąć, zwłaszcza w okresach największego zapotrzebowania na ciepło, czyli zimą, a ta pora jest sucha. Ponadto studnia zrzutowa musi mieć odpowiednią chłonność, tak aby przyjąć całkowitą ilość kierowanej do niej wody. Tu też potrzebna jest pewna minimalna wielkość działki. Studnie muszą być od siebie oddalone o około 15–20 m, tak aby zrzucana chłodna woda miała czas na pobranie ciepła, zanim ponownie zostanie zaczerpnięta i skierowana na pompę ciepła.

Nie zawsze takie rozwiązanie jest możliwe i zależy od warunków gruntowo-wodnych, gdyż zbyt niski poziom wód wymaga więcej energii na pompowanie. Wody te nie powinny być twarde, mocno zmineralizowane i z wysoką zawartością żelaza lub manganu, gdyż mogą pokrywać wymiennik warstwą osadów, a to spowoduje spadek sprawności oddawania ciepła. Budowa studni głębokości ponad 30 m wymaga pozwolenia wodno-prawnego. Pozwolenie takie jest wymagane także na czerpanie wody w ilości powyżej 15 000 l na dobę.

OD CZEGO ZACZĄĆ

Na początek warto określić, jakie funkcje ma spełniać pompa ciepła. Z pewnością ma zapewnić ogrzewanie, ale może też dostarczać ciepłą wodę, a latem chłodzić. Drugi krok to dokładne rozpoznanie możliwości optymalnego wyboru dolnego źródła ciepła. Ta decyzja powinna być staranie przemyślana i skonsultowana z doświadczonymi fachowcami. W porównaniu z innymi instalacjami i urządzeniami grzewczymi wydatki inwestycyjne na instalacje z pompami ciepła są wysokie (30–70 tys. zł), dlatego warto poszukiwać możliwości pozyskania dotacji lub tanich kredytów. W Polsce nie ma specjalnego programu dla inwestycji w pompy ciepła. Warto jednak próbować pozyskiwać środki na zakup pomp ciepła od instytucji zajmujących się udzielaniem pomocy finansowej dla rozwoju energetyki odnawialnej (WFOŚiGW, EkoFundusz). Pomoc ta to bezzwrotne dotacje i nisko oprocentowane kredyty. Preferowani są inwestorzy instytucjonalni. Dla inwestorów indywidualnych najlepszą drogą poszukiwania środków na inwestycje jest doradztwo firm wykonawczych mających doświadczenie w budowie tego typu instalacji. Na rynku pojawiają się także firmy współpracujące z projektantami i wykonawcami, które specjalizują się w pozyskiwaniu kredytów także dla inwestorów indywidualnych. Całą inwestycję najlepiej powierzyć jednej firmie, która jest w stanie przedstawić wiarygodne referencje lub takiej, która ma rekomendacje wiodących producentów pomp ciepła.