Pompy ciepła od A do Z

Od czego zaczynamy?

Chcąc uniknąć błędów i niepotrzebnych kosztów, decyzję o inwestycji w pompę ciepła należy uzgodnić z architektem budynku już na etapie projektowania domu. Ustalamy z nim rodzaj budynku i jego zapotrzebowanie na energię, a tym samym przegrody i ich izolacyjność oraz otwory i ich jakość. Sprawdzamy, na jaki sposób pozyskiwania ciepła przez pompę pozwoli nasza działka – czy na wymiennik gruntowy poziomy, czy pionowy, a może będziemy mogli skorzystać tylko z pompy czerpiącej ciepło z powietrza?

Następnie ustalamy, także z architektem, jakie będą w budynku instalacje ogrzewcze. Dla pomp ciepła najkorzystniejsze jest ogrzewanie podłogowe. Przed wyborem pompy należy też określić, jakie funkcje ma ona spełniać. Na pewno ma zapewnić ogrzewanie, ale może również dostarczać ciepłą wodę, a latem też chłodzić. Ta decyzja powinna być starannie przemyślana. Kolejny krok to ustalenie rodzaju wentylacji – warto wybrać mechaniczną z odzyskiem ciepła. Gdybyśmy jednak chcieli, aby pompa dostarczała latem  chłód, to również należy to uzgodnić z architektem, aby dostosować do tego wentylację.

Jeśli nie będziemy korzystać z kotła i wentylacji grawitacyjnej, wówczas nie ma potrzeby budowania kominów spalinowych i wentylacyjnych oraz kotłowni. Warto wtedy przewidzieć miejsce na pompę i zasobnik ciepłej wody, a także na zbiornik buforowy oraz rekuperator. Można je lokalizować w pomieszczeniach, które będą pełnić także inne funkcje gospodarcze.

W projekcie architektonicznym należy też przewidzieć przebieg kanałów wentylacyjnych i przejścia instalacji przez przegrody oraz szachty instalacyjne. Jeśli nie będziemy używać kotła, a chcemy mieć kominek, to nie musi być on stawiany w centralnej części budynku i tym samym komin możemy wyprowadzić po ścianie zewnętrznej. Z architektem warto również ustalić ilość i lokalizację kolektorów słonecznych do podgrzewu wody.

Warto bowiem tak zaprojektować dach, aby ich lokalizacja była jak najkorzystniejsza. Jeśli tych elementów nie uwzględnimy na etapie projektu architektonicznego, to po doprowadzeniu budynku do stanu surowego, kiedy przyjdzie czas na montaż instalacji, będą nas czekały spore problemy i niepotrzebne wydatki.

W porównaniu z innymi instalacjami i urządzeniami grzewczymi wydatki inwestycyjne na instalacje z pompami ciepła są wysokie, dlatego warto poszukiwać możliwości pozyskania tanich kredytów. Dla inwestorów indywidualnych najlepszą drogą poszukiwania środków na inwestycje jest doradztwo firm wykonawczych, które mają doświadczenie w budowie tego typu instalacji. Na rynku pojawiają się także firmy współpracujące z projektantami i wykonawcami, które pomagają w pozyskiwaniu kredytów. Całą inwestycję najlepiej powierzyć jednej firmie, która jest w stanie przedstawić wiarygodne referencje lub takiej, która ma rekomendacje wiodących producentów pomp ciepła. Nie zapominajmy, że instalacje to inwestycja na kilkadziesiąt lat.

Jak działa pompa ciepła?

Wielu specjalistów chcąc opisać pracę pompy ciepła, porównuje ją do lodówki. Pompa ciepła i lodówka są podobnie zbudowane i pracują według tych samych zasad. Różnią się przeznaczeniem – lodówka ma wytworzyć chłód w zamrażalniku i dlatego musi odebrać ciepło z wnętrza urządzenia i przekazać je do otoczenia.

Pompa ciepła natomiast ma za zadanie pobrać ciepło z chłodnego otoczenia i przekazać je do ciepłego wnętrza. Nikt z nas nie zastanawia się, jak to możliwe, że dzięki sprężarce pompującej niskowrzący czynnik chłodniczy w lodowce powstaje chłód.

Tak samo jest w pompie ciepła. Najważniejsza różnica pomiędzy tymi urządzeniami polega na tym, że w lodówce ciepło jest tym, czego chcemy się pozbyć, a w pompie chcemy je wykorzystać. Dlatego pompy ciepła pośredniczą pomiędzy dwoma źródłami w przekazywaniu ciepła. Instalacja tzw. dolnego źródła ciepła pobiera ciepło z otoczenia i transportuje je do pompy ciepła, a ta przekazuje je z kolei do instalacji górnego źródła ciepła.

Instalacja dolnego źródła ciepła podłączona jest do parownika, a instalacja ogrzewcza do skraplacza pompy ciepła. Pompa przekazuje do wnętrza budynku ciepło z jego otoczenia, czyli z dolnego źródła ciepła – gruntu, powietrza lub wody. Górnym źródłem ciepła jest po prostu instalacja ogrzewcza w budynku (np. ogrzewanie podłogowe lub grzejniki na ścianie). Podstawą działania pompy ciepła, tak jak lodówki, jest wzrost temperatury gazu przy jego sprężaniu i spadek przy rozprężaniu.

W tym miejscu nasuwa się pytanie: skoro to takie proste urządzenie, to dlaczego jest takie drogie? Pompy ciepła mają kilka elementów, których nie stosuje się w lodówkach, a te, które są podobne, są o wiele bardziej rozbudowane. Pompy ciepła mają dwa wymienniki ciepła, parownik i skraplacz wykonane z dużych i drogich wymienników płytowych. Ponadto w pompach stosuje się sprężarki spiralne, a w lodówce tłokowe. W pompie ciepła zamiast prostej rurki kapilarnej stosowane są zawory rozprężne, tak aby uzyskiwać większe wydajności i mieć możliwość jej regulacji.

Instalacja a pompa ciepła

Instalację z pompą ciepła można rozwiązać na wiele sposobów, w zależności od tego, jakie funkcje ma pełnić – czy ma tylko ogrzewać budynek, czy też podgrzewać ciepłą wodę i ewentualnie chłodzić pomieszczenia latem. Zależy ona również od rodzaju pompy ciepła, sposobu ogrzewania budynku lub zastosowanych dodatkowych źródeł ciepła. Instalacja może być prosta lub złożona. Przykładem instalacji złożonej jest rozwiązanie, które składa się z pompy ciepła, podgrzewacza pojemnościowego wody użytkowej, zasobnika buforowego wody grzewczej oraz kotła na biomasę. Do tego układu mogą być podłączone jeszcze np. kolektory słoneczne. Przy niskiej temperaturze zewnętrznej, jeśli moc przyjętej pompy ciepła jest niewystarczająca, włącza się kocioł, a zasobnik buforowy pozwala gromadzić ciepło w czasie, gdy energia elektryczna jest tańsza (np. w taryfie nocnej) lub ciepło uzyskane z kolektorów słonecznych. W okresach niskiego zapotrzebowania na ciepło zastosowanie zasobnika eliminuje częste załączanie i wyłączanie się pompy ciepła, zwiększając tym samym trwałość jej elementów i wydłużając żywotność.

Źródła ciepła

Górne źródło ciepła. W budynkach ogrzewanych za pomocą pompy ciepła instalacje ogrzewcze powinny być niskotemperaturowe, czyli w praktyce należy korzystać z ogrzewania podłogowego lub ściennego. Oferowane obecnie niektóre grzejniki naścienne mogą z powodzeniem współpracować z instalacjami niskotemperaturowymi bez konieczności instalowania bardzo dużych powierzchni, ale instalacje takie mają małą bezwładność. W przypadku ogrzewania pompą ciepła duża bezwładność cieplna instalacji jest korzystna, gdyż pompa może pracować większą część czasu w okresach tańszej taryfy zasilania elektrycznego i nie ma wówczas konieczności montowania dużego zasobnika buforowego.

Dolne źródło ciepła. Do zasilania instalacji ogrzewających budynki jednorodzinne pompy czerpią ciepło z powietrza, gruntu lub wód gruntowych. Najwyższe sprawności pompy uzyskują pobierając ciepło z wody i gruntu. Wprawdzie pompy pobierające ciepło z powietrza uzyskują niższe sprawności pracy, ale takie instalacje są najtańsze w inwestycji, gdyż nie wymagają prac ziemnych.

Grunt. W Polsce ze względu na klimat najczęściej wykonuje się instalacje, które korzystają z ciepła gruntu poprzez kolektor gruntowy poziomy – spiralny lub płaski. Kolektor spiralny jest to przewód umieszczony w gruncie poniżej granicy przemarzania i prowadzony tak, aby tworzył wężownicę i tym samym miał odpowiednio dużą powierzchnię styku z gruntem. Kolektory wykonuje się też za pomocą długich odcinków przewodów. W przewodzie krąży płyn niezamarzający (tzw. solanka) i ciepło z gruntu oddaje do obiegu pompy ciepła, a ta przekazuje je do instalacji ogrzewczej w budynku. Aby poziomy kolektor ziemny mógł dostarczyć wystarczającą ilość ciepła do ogrzania budynku, musi mieć odpowiednio dużą powierzchnię, która zależy od wilgotności i struktury gruntu. Im grunt jest wilgotniejszy i cięższy, tym lepiej oddaje ciepło. Ilość energii, jaką można uzyskać z gruntu na głębokości około 1,8 m waha się od 15 do 30 W/m². Tak duża rozpiętość wymaga starannego wykonania kontrolnych wykopów, aby sprawdzić, ile ciepła można uzyskać z gruntu w danym przypadku. Wykonawcy przyjmują, że nowy, dobrze izolowany dom jednorodzinny o niskim zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania wymaga kolektora spiralnego przynajmniej o dwu-, trzykrotnie większej powierzchni niż wynosi powierzchnia użytkowa domu. Zatem dla domu o powierzchni 150 m² potrzebny jest kolektor o powierzchni nawet 400 m². Na zbudowanym kolektorze nie można stawiać budynków oraz sadzić drzew i niekiedy nawet kilkusetmetrowe działki mają za małą powierzchnię na budowę kolektorów poziomych. Jeśli mamy małą działkę, możemy wykonać w gruncie odwierty pionowe. To rozwiązanie jest droższe i przed decyzją należy zlecić badania doświadczonej firmie, czy w danym miejscu jest to ekonomicznie uzasadnione. Dla domów jednorodzinnych wykonuje się odwierty na głębokość do 30 m (głębsze wymagają uzyskania pozwolenia wodno-prawnego), oddalone od siebie o około 5 m.

Woda. Bardzo dobrym źródłem ciepła dla pomp są wody gruntowe, gdyż na głębokości poniżej 6 m ich temperatura nie powinna spadać poniżej 7°C. Wody takie wykorzystuje się w układzie dwóch studni. Pierwszą pobiera się wodę, która dochodzi do pompy i po oddaniu jej ciepła jest ona zrzucana do drugiej studni. Warunkiem zastosowana takiego systemu jest odpowiednia wydajność warstwy wodonośnej oraz właściwa chłonność studni zrzutowej, tak aby przyjęła ona 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. 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.

Powietrze. Pompy ciepła czerpiące ciepło z powietrza mogą być instalowane praktycznie wszędzie, powietrze jest bowiem dostępne wszędzie. Taka inwestycja jest tańsza od kilku do kilkunastu tysięcy złotych od instalacji z wymiennikami gruntowymi czy studniami i nie wymaga posiadania odpowiedniej wielkości działki. Jednak im więcej ciepła do ogrzewania potrzebujemy, czyli w okresie zimowym, to w powietrzu jest go coraz mniej. Dlatego w okresach mrozów budynek musi korzystać z dodatkowego źródła ogrzewania.

Co jest ważne: moc, sprawność czy COP?

Pompy ciepła nie należy traktować jak kotła – nie wytwarza ona energii cieplnej, nie jest z nią zatem związane pojęcie sprawności. Pompa ciepła tylko transportuje energię ze źródła chłodniejszego do cieplejszego. Ten kierunek transportu ciepła – odwrotny od występującego w naturze – wymaga dostarczenia energii z zewnątrz. Jest nią energia elektryczna do napędu sprężarki w pompie ciepła. Dzięki dużej powierzchni wymiany w dolnym źródle ciepła do instalacji przenika spora ilość energii, którą pompa ciepła przekazuje do instalacji ogrzewczej. Dla charakterystyki pompy ważne jest, ile jednostek ciepła jest ona w stanie przetransportować pomiędzy dwoma źródłami za pomocą jednej jednostki energii. Informację tę mamy zawartą we współczynniku wydajności grzejnej COP. Sprężarkowa pompa ciepła potrafi przy zużyciu 1 kW energii elektrycznej dostarczyć w optymalnych warunkach pięć jednostek energii cieplnej, czyli jej COP wynosi odpowiednio 5. Współczynnik COP zależy jednak od różnicy temperatur dolnego i górnego źródła ciepła. Producenci podają go zwykle dla temperatury na wejściu do pompy ciepła z dolnego źródła na poziomie 0°C i temperatury 35°C na zasilaniu systemu grzewczego. Jeśli np. COP dla danej pompy, dla temperatur 0/35°C, wynosi 5, to dla 0/50°C będzie to tylko około 3,5. Zatem im większa różnica temperatur, tym mniejszy współczynnik COP. Po raz kolejny widać, jakie znaczenie ma wydajne dolne źródło ciepła i niskotemperaturowa instalacja centralnego ogrzewania. Moc pompy ciepła jest bardzo ważna i jest ściśle związana z zapotrzebowaniem budynku na ciepło. W celu dokonania prawidłowego doboru odpowiedniej pompy ciepła należy dokładnie ustalić zapotrzebowanie budynku na ciepło. W praktyce pomp nie dobiera się na 100% zapotrzebowania na ciepło, lecz na 80–90%, a w okresach dużych spadków temperatury ciepło dostarczają przeważnie grzałki elektryczne. Te 10–20% mniej daje spore oszczędności inwestycyjne, a nie ma to aż tak dużego wpływu na koszty eksploatacyjne.