Wymiana kotła c.o. na pompę ciepła - co trzeba wiedzieć?

Pompa ciepła i kocioł to zupełnie różne urządzenia grzewcze. Oba wprawdzie realizują ten sam cel – dostarczają ciepło do wnętrz – ale sama zasada ich działania jest odmienna. Bynajmniej nie chodzi o czysto teoretyczne różnice, którymi przeciętny użytkownik może się w praktyce nie przejmować. Wręcz przeciwnie, bo właśnie skutkiem tych odmienności jest konieczność dostosowania całej instalacji grzewczej do specyfiki pomp ciepła. Tylko wówczas będzie ona działać w sposób naprawdę ekonomiczny, zapewniając bezkonkurencyjnie niską cenę ciepła. Wymaga to nie tylko wiedzy, ale także przełamania pewnych nawyków w sposobie myślenia i postępowania. Najkrócej mówiąc, dobór parametrów pompy ciepła wymaga znacznie większej staranności, niż w przypadku kotła. Ponadto niektóre rozwiązania, które sprawdzały się bardzo dobrze w instalacji z kotłem, w przypadku pompy mogą być źródłem problemów i psuć działanie całości. Jednak warto podjąć ten wysiłek, bo przejście na ogrzewanie pompą oznacza wiele korzyści.

Dlaczego warto zainstalować pompę ciepła?

Na początek warto przedstawić kilka zasadniczych korzyści, wynikających z zastąpienia kotła pompą. Pokażemy tu główne zalety skłaniające do takiej zmiany. Nie będzie to jednak pełna lista, gdyż więcej dokładniejszych informacji podamy w dalszej części artykułu. Prawdą jest, że pompa ciepła może być tańsza w eksploatacji, niż jakiekolwiek inne urządzenie grzewcze, łącznie z uważanymi przez lata za najtańsze kotłami na węgiel.

Za pompą ciepła przemawia dużo więcej, niż nadzieja na tanie ogrzewanie. Ogromną zaletą jest jej całkowita bezobsługowość. Jedyne, co musi zrobić użytkownik, to ustawić na regulatorze pożądaną temperaturę we wnętrzach. Prawidłowo skonfigurowana przez fachowca automatyka odpowiada za resztę, zapewniając wybraną temperaturę w pomieszczeniach, a równocześnie dbając o utrzymanie rachunków na jak najniższym poziomie.

Bezobsługowość pompy uwalnia nas od konieczności stałego wykonywania wielu uciążliwych czynności. W tym przypadku, warto zrobić porównanie z kotłami na paliwa stałe, bo to przede wszystkim z nimi pompy będą konkurować przy wymianie. Kotły gazowe bywają wprawdzie tak że zastępowane pompami ciepła, jednak robi się to znacznie rzadziej. Pompa jest atrakcyjna przede wszystkim dla tych, którzy wykorzystują gaz płynny (propan) z przydomowego zbiornika, a nie gaz ziemny z sieci. Generalnie z powodu dość wysokich kosztów gazu płynnego i dużej zmienności jego cen.

Pompa ciepła niczego nie spala, ani nie emituje zanieczyszczeń fot. De Dietrich

Względem kot łów na paliwa stałe, różnica komfortu obsługi pompy jest ogromna. Nawet jeżeli weźmiemy pod uwagę nowoczesne kotły z podajnikiem paliwa, a nie te prostsze zasypowe. Każdy kocioł na węgiel czy pelety wymaga przecież uzupełniania paliwa i nawet, jeżeli robimy to tylko raz na kilka dni, to i tak worki z opałem trzeba przynieść. Są przy tym ciężkie, standardowy worek węgla waży 25 kg, peletu zaś 20 kg. Dla wielu, nieco słabszych fizycznie osób, to naprawdę dużo. A trzeba sobie zdawać sprawę, że młodsi się nie robimy i z wiekiem problem będzie narastał. Ponadto obsługa kotła na paliwo stałe wymaga jego regularnego czyszczenia, wynoszenia popiołu i rozpalania, co też oznacza sporo nieprzyjemnej (brudnej) pracy.

Pompa ciepła jest urządzeniem całkowicie czystym. Nie tylko w tym sensie, że niczego nie spala i nie emituje zanieczyszczeń do atmosfery. Zupełnie czyste jest te ż jej bezpośrednie otoczenie, w którym nie ma popiołu, pyłu węglowego itp. Daje to możliwość zupełnie innego wykorzystania dotychczasowej kotłowni. Staje się ona bowiem pomieszczeniem całkiem czystym, w którym z powodzeniem możemy urządzić pralnię, spiżarnię, czy nawet łazienkę. Chociaż tak naprawdę zmiana może być niemal dowolna, gdyż  pompa ciepła wcale nie musi stać w miejscu dawnego kotła. Pompa może być umieszczona np. w garażu, a nawet jako tzw. monoblok, na zewnątrz budynku. Niezależnie od wybranego wariantu najwięcej miejsca zajmie zbiornik c.w.u. (ciepłej wody użytkowej), który trzeba umieścić gdzieś w przestrzeni ogrzewanej.

Jednostka wewnętrzna pompy ciepła jest wielkości pojedynczej szafki kuchennej, a w wersji monoblok nie potrzeba jej wcale fot. Gree

Czystość pompy ciepła ma te ż wymiar globalny, bo to urządzenie ekologiczne, które nie emituje zanieczyszczeń, a większość ciepła, które z niej pozyskujemy, to energia odnawialna. Bilans wpływu na środowisko można jeszcze poprawić wykorzystując prąd z własnej mikroelektrowni fotowoltaicznej i/lub korzystając z tzw. zielonej taryfy za prąd. Wówczas dostawca energii gwarantuje, że wytworzona ona została z użyciem źródeł odnawialnych. Warto przy tym zauważyć, że korzystając z PV możemy w pewnym stopniu uniezależnić się od dostawcy prądu i znacznie obniżyć rachunki za ogrzewanie.

Z jakich elementów składa się system grzewczy z pompą ciepła?

Każdy system grzewczy z pomp ą ciepła, niezależnie od jej rodzaju, składa się z trzech zasadniczych części: 

• źródła dolnego, czyli elementu otoczenia (powietrze, grunt, woda), z którego pochodzi zdecydowana większość ciepła trafiającego ostatecznie do budynku;
• pompy ciepła, która przekształca pozyskane z otoczenia tzw. ciepło niskotemperaturowe na postać możliwą do wykorzystania w celu ogrzewania wnętrz. Najczęściej jest to podgrzewanie wody w obiegu c.o., tak żeby miała 35–55°C;
• źródła górnego, którym jest instalacja grzewcza wewnątrz budynku, czyli system służący przekazywaniu ciepła do wnętrz. Może składać się z grzejników ściennych, ogrzewania podłogowego lub innego płaszczyznowego, znacznie rzadziej z układu nadmuchu ciepłego powietrza. Częścią źródła górnego są też rurociągi, pompy obiegowe, zawory i inne elementy służące właściwej dystrybucji ciepła.

Pompę powietrzną można bez problemu założyć właściwie na każdej działce fot. THERMOSILESIA

W przypadku ogrzewania pompą ciepła na te trzy części zawsze trzeba patrzeć łącznie i tak naprawdę wszystkie są ważne. Jednak szczególną pozycję ma źródło dolne. Stanowi bowiem pierwszy element w tym swoistym łańcuchu, polegający na czerpaniu, przetwarzaniu i oddawaniu energii. Jeśli źródło dolne będzie niewydolne, to dwa kolejne elementy w tym układzie po prostu nie będą w stanie prawidłowo działać. To trochę tak jak z ze studnią, zestawem hydroforowym i instalacją wodociągową. Jeżeli w studni nie będzie dość wody, to na nic się nie zda choćby wzorowa jakość pozostałych komponentów.

Czym różni się popa ciepła od kotła?

Kocioł do działania potrzebuje paliwa. Spalanie polega na uwolnieniu zawartej w opale energii chemicznej i to ono jest najważniejsze. Tak długo jak będziemy dostarczać właściwe paliwo w wymaganej ilości, tak długo będzie mógł działać kocioł. Jego moc zależeć będzie przy tym właśnie od dostępnej ilości paliwa, a sprawność od tego, czy uda się uzyskać optymalne warunki jego spalania. 

Rodzaj instalacji grzewczej w budynku (podłogówka, grzejniki) ma drugorzędne znaczenie. Nawet w przypadku kotłów gazowych kondensacyjnych i tradycyjnych różnica sprawności, wynikająca z obniżenia temperatury wody w obiegu nie przekracza kilkunastu procent, a dla kotłów na paliwa stałe nie występuje w ogóle. Przy tym kocioł zawsze jest w stanie osiągnąć swą moc maksymalną.

W przypadku pompy ciepła sytuacja jest zupełnie inna i podstawą ich pracy zawsze jest źródło dolne. Dokładniej mówiąc – wystarczająca ilość ciepła, którą można z niego pozyskać. Jeśli ten strumień ciepła będzie zbyt mały lub temperatura źródła dolnego nadmiernie spadnie, to pompa się wyłączy, a cały system grzewczy przestanie działać. Sama zmiana pompy na inną, o wyższej mocy nominalnej, nic zaś nie da, jeżeli źródło dolne pozostanie to samo. Je również musimy wówczas powiększyć lub znaleźć sposób na podniesienie jego temperatury.

Pompy powietrze/woda zdominowały rynek. Sprzedaje się ich obecnie więcej, niż wszystkich pozostałych rodzajów pomp razem wziętych fot. SAS

Przypominając przywoływaną już analogię z pompą w studni – to tak, jakby z tej samej studni, w której brakuje wody, próbować pozyskać jej więcej, wymieniając pompę na mocniejszą. Oczywiście, taka pompa przez krótki czas może dostarczyć nieco więcej wody, lecz ostatecznie jeszcze szybciej wyczerpie jej zasoby. W przypadku pompy ciepła, efekt może być bardzo podobny, co najlepiej widać w przypadku urządzeń gruntowych, które korzystają przecież ze ściśle wyznaczonego źródła dolnego. Większa moc pompy oznacza intensywniejszy odbiór ciepła ze źródła dolnego. Jeżeli jego zasoby energii będą zbyt małe, może się okazać, że w środku sezonu zostało ono całkiem wyziębione i pompa po prostu nie może już go dostarczać, my zaś zostajemy bez ogrzewania.

W przypadku pompy ciepła, druga zasadnicza kwestia to temperatura po stronie źródła górnego, czyli temperatura wody w obiegu c.o. Dokładniej mówiąc, chodzi przede wszystkim o różnicę temperatury pomiędzy źródłem dolnym i źródłem górnym. Im większa będzie ta różnica, tym pompa będzie musiała wykonywać większą pracę. Przekłada się to na spadek jej sprawności, a w większości przypadków również mocy grzewczej. Generalnie moc pompy ciepła nie jest wartością stałą. Korzystna jest więc jak najwyższa temperatura źródła dolnego oraz jak najniższa źródła górnego (temperatura wody w obiegu).

Jakie dolne źródło ciepła wybrać?

To z jakiego elementu otoczenia pompa będzie pobierać ciepło jest sprawą zasadniczą dla samych warunków jej działania, osiąganej sprawności itp. Jednak w praktyce musimy brać pod uwagę także wiele innych czynników. W końcu celem nie jest stworzenie idealnych warunków funkcjonowania pompy, ale dobrze działającego ogrzewania konkretnego budynku. Musimy przy tym liczyć się z warunkami charakterystycznymi dla konkretnego domu i działki, a także utrzymać koszty inwestycji w rozsądnych granicach.

Jakie możliwości wyboru źródła dolnego wchodzą w ogóle w grę?

Powietrze zewnętrzne może zasilać w ciepło tzw. powietrzną pompę ciepła. Taka pompa wyposażona jest w wymiennik ciepła i wentylator (lub wentylatory), o bardzo dużej wydajności, przetłaczający je w ogromnej ilości kilku tysięcy m3 /h. W ciągu ostatnich kilku lat właśnie te pompy zdominowały rynek

Gruntowy kolektor poziomy to zakopane na głębokości 1,5–2,0 m wężownice z rur wypełnionych płynem niezamarzającym. Tradycyjnie nazywa się go solanką, choć w rzeczywistości to wodny roztwór glikolu propylowego (gliceryny), etylowego lub alkoholu etylowego. Płyn krąży w rurach, oddając ciepło pobrane z gruntu w wymienniku pompy. 

Kolektory pionowe również składają się z rur wypełnionych płynem niezamarzającym, ale umieszczone są one w głębokich na nawet ponad 100 m pionowych odwiertach. Kolektor ziemny w systemie z bezpośrednim odparowaniem to inny wariant kolektora poziomego. Tu w gruncie układa się miedziane rury, w który nie krąży płyn niezamarzający, lecz bezpośrednio gazowy czynnik roboczy pompy. W ten sposób zostaje wyeliminowany jeden z wymienników (pomiędzy „solanką” a czynnikiem roboczym pompy), co przekłada się na wzrost sprawności całego układu (wyższy współczynnik COP). 

Dwie studnie (czerpna i zrzutowa) umożliwiają wykorzystywanie wód podziemnych. Temperatura takich wód jest wysoka, wynosi zwykle 10–15°C. To wyjątkowo dobry nośnik ciepła, gdyż z jej niewielkiej objętości możemy odebrać bardzo dużą ilość energii. Z pierwszej studni (czerpnej) zasysamy wodę, przepływa ona przez wymiennik pompy ciepła i ochłodzona trafia do studni zrzutowej. Bardzo często jednak wykorzystanie wód gruntowych jest trudne lub wręcz niemożliwe. Na większości działek nie ma ich wystarczającej ilości. Jeżeli zaś już są, to ich skład powoduje powstawanie dużej ilości osadów w wymienniku oraz samej studni zrzutowej, co rychło prowadzi do jej niewydolności.

Kolektor w kształcie spirali umożliwia ograniczenie zakresu prac ziemnych. Jednak ostatecznie ważna jest i tak objętość gruntu, z którego odbieramy ciepło fot. Rehau

Kolektory poziome na dnie zbiornika wodnego przypominają gruntowy kolektor poziomy. Jednak stały kontakt z wodą, która jest świetnym nośnikiem ciepła, gwarantuje bardzo wysoką sprawność takiego układu. Nie ma przy tym znaczenia sam skład wody, gdyż ta nie jest przepompowywana. Na niewielu działkach, niestety, możemy dysponować zbiornikiem wodnym.

Nie zapominajmy jednak nigdy, że to nie instalacja po stronie źródła dolnego jest faktycznym źródłem ciepła. Jest nim sam element otoczenia, taki jak powietrze lub grunt. Ilość pozyskiwanego ciepła zależy od jego wielkości i temperatury. Instalacja po stronie dolnego źródła jest tak naprawdę tylko swoistym wymiennikiem ciepła. Nigdy nie da go więcej, niż ilość faktycznie zgromadzona w dolnym źródle. Dlatego, np. samo gęstsze ułożenie rur w gruncie nic nam nie da, zaś osiągi powietrznej pompy ciepła zawsze będą bardzo mocno uzależnione od chwilowej temperatury powietrza zewnętrznego. 

Jak działają pompy powietrze/woda?

Pompy czerpiące ciepło z powietrza zewnętrznego zdominowały rynek. Obecnie sprzedaje się ich więcej, niż wszystkich pozostałych rodzajów pomp razem wziętych. To one są siłą napędową całego tego rynku. Trzeba przyznać, że pompy typu powietrze/woda mają wiele zalet, które przesądziły o ich rynkowym sukcesie. Nie są jednak pozbawione wad i żeby dokonać świadomego wyboru, powinniśmy wiedzieć również o ich słabych stronach.

Na tle innych rodzajów pompy powietrzne najbardziej wyróżnia fakt, że nie trzeba dla nich wykonywać instalacji po stronie źródła dolnego. Tę zastępuje wymiennik ciepła i wentylator przetłaczający powietrze. Z samego powietrza możemy zaś korzystać bez ograniczeń. W efekcie wykonanie kompletnej instalacji z pompą powietrzną kosztuje kilka, a częściej kilkanaście tysięcy zł mniej niż wersji z kolektorami gruntowymi bądź odwiertami.

Jednak w przypadku remontowanego domu, jeszcze ważniejszy niż niskie koszty inwestycji może okazać się znikomy zakres prac, które trzeba wykonać na zewnątrz. Jednostkę zewnętrzną pompy powietrznej (lub całą pompę typu monoblok) wystarczy bowiem ustawić przy ścianie budynku. Nie trzeba zaś robić, wykopów ani odwiertów, nie ma też specjalnych ograniczeń co do sposobu zagospodarowania działki. Dla właścicieli już zagospodarowanych posesji to zasadniczy argument. Mało kto z nich decyduje się na rozkopanie kilkuset metrów kwadratowych ogrodu i trawnika (kolektor poziomy) lub wpuszczenie na posesję samochodu z wiertnicą (odwierty). Ten drugi wariant jest wprawdzie mniej inwazyjny, bo odwierty nie zajmują dużej powierzchni, ale prace i tak są uciążliwe.

Nie można też zapominać, że na małych działkach ułożenie kolektorów poziomych jest po prostu niemożliwe, a pompę powietrzną możemy założyć właściwie na każdej posesji. Niestety, decydując się na czerpanie ciepła z powietrza musimy liczyć się z pewnymi wadami tego rozwiązania.

Po pierwsze, sprawność, a zwykle również moc pompy ciepła wyraźnie spada wraz z obniżaniem się temperatury powietrza zewnętrznego. Kłopot w tym, że to przecież w okresie siarczystych mrozów potrzebujemy największej mocy grzewczej! Trzeba jednak od razu uprzedzić, że różne modele pomp są na to wrażliwe w odmiennym stopniu. Niektóre, nieliczne wprawdzie, są w stanie utrzymać nominalną moc grzewczą nawet przy -20°C, inne zaś w tych warunkach osiągną mniej niż połowę mocy nominalnej. We wszystkich zaś wyraźnie odczuwalny będzie spadek sprawności. Należy tu jeszcze dodać, że pompy powietrzne są w stanie działać do pewnej temperatury zewnętrznej. Na szczęście obecnie jest to chyba najczęściej -20°C, czasem -15°C

To wszystko nie znaczy jednak, że słabe wyniki przy pracy na dużym mrozie muszą dyskwalifikować konkretny model. Wszystko zależy od tego, czy rzeczywiście jej działanie będzie nam potrzebne np. przy -15°C. Niejednokrotnie bowiem instalacje grzewcze z pompą ciepła buduje się jako tzw. biwalentne, czyli z dwoma źródłami ciepła. Tym drugim mogą być grzałki elektryczne, elektryczny kocioł, czy wreszcie już posiadany kocioł. Układy biwalentne omówimy w podrozdziale o niezbędnej mocy pompy. Ich charakterystyka jest ważna, tym bardziej, że to właśnie w starszych budynkach ich stosowanie jest najbardziej uzasadnione,

Co warto wiedzieć o pompach gruntowych?

Pompy wykorzystujące ciepło pochodzące z gruntu jeszcze do niedawna dominowały na naszym rynku. Obecnie ustępują pola urządzeniom powietrznym. Dzieje się tak dlatego, że te ostatnie mocno udoskonalono, a są one przy tym tańsze i łatwiej je założyć – ze względu na brak instalacji po stronie źródła dolnego.

Nie zmienia to jednak faktu, że pompy gruntowe mają nad nimi wyraźną przewagę w czasie większych mrozów. Dysponują bowiem źródłem dolnym o stabilnych parametrach i dość wysokiej temperaturze. Generalnie, nawet kolektor poziomy ma zawsze lekko dodatnią temperaturę, natomiast odwierty pionowe mogą mieć aż +15°C. Co najważniejsze, temperatura ta utrzymuje się także wtedy, gdy na zewnątrz panuje -20°C.

Ma to tę ważną konsekwencję, że w czasie siarczystych mrozów zwykle trzeba podnieść temperaturę wody w obiegu c.o., żeby utrzymać komfort we wnętrzach. W układzie z pompą gruntową pogorszy to nieco sprawność. Lecz nie będzie to tak wyraźne, jak w przypadku pompy powietrznej. Po prostu grunt jest zawsze źródłem dolnym o znanej, przewidywalnej temperaturze.

Pompy gruntowe mają łatwiejsze zadanie niż powietrzne, bo w ich przypadku temperatura źródła dolnego prawie się nie zmienia fot. Stiebel Eltron

Dlatego szczególnie w tych częściach kraju, gdzie zimy bywają bardziej srogie, a duże mrozy utrzymują się przez dłuższy czas, pompy gruntowe zyskują na atrakcyjności. Po prostu bezpieczniej jest nieco inaczej konfigurować ogrzewanie, jeżeli mieszkamy w okolicach Suwałk, czy Białegostoku niż Szczecina. Wprawdzie przez większość sezonu dobra pompa powietrzna będzie sobie satysfakcjonująco radzić w każdej lokalizacji, jednak w sytuacjach skrajnych wersja gruntowa okaże się pewniejszym wyborem.

Wykorzystanie gruntu jako źródła dolnego, chociaż wiąże się ze znacznymi nakładami na etapie inwestycji, oznacza zwykle nieco niższe koszty wieloletniej eksploatacji. Czy w ostatecznym rachunku będzie to opłacalne nie sposób z góry przesądzić. Każdy przypadek wymaga indywidualnej analizy. Warto jednak w tym miejscu dodać, że pompy gruntowe lepiej nadają się do zasilania tańszym prądem w tzw. nocnej taryfie (G12, G12W). W ich przypadku temperatura źródła dolnego nie zmienia się bowiem w zależności od pory doby. Pompa pracuje więc z taką samą sprawnością również w godzinach nocnych. Natomiast pompy powietrzne działając w nocy muszą wykorzystywać chłodniejsze powietrze niż za dnia. To z kolei negatywnie odbija się na ich sprawności. Różnica jest szczególnie wyraźna wiosną i jesienią, bo wówczas temperatura za dnia sięga nawet +10°C, a nocą zbliża się do 0°C.

Jak duże powinno być źródło dolne?

W przypadku pomp powietrznych, w ogóle nie dotyczy nas problem doboru wielkości źródła dolnego. Jest to niewątpliwie ogromna zaleta tego rodzaju urządzeń. Natomiast w przypadku pomp gruntowych właściwe zwymiarowanie instalacji po stronie źródła dolnego jest sprawą zasadniczą. Jeżeli tu zostanie popełniony znaczny błąd, to cały system grzewczy będzie po prostu niewydolny i nie da się go łatwo poprawić. 

Generalnie lepsze jest źródło dolne zbyt duże, niż zbyt małe. Główny problem polega wówczas na tym, że za takie powiększenie ponad miarę przyjdzie nam więcej zapłacić. Jednak w pewnych okolicznościach lepiej jest już wykonać nieco większe źródło dolne, niż wynikałoby z przyjęcia typowych wartości. Z zastrzeżeniem jednak, że dotyczy to sytuacji, gdy pompa ciepła jest jedynym źródłem ciepła w budynku. Jeżeli budujemy układ biwalentny, czyli z drugim, konwencjonalnym źródłem ciepła, to przewymiarowywanie nie ma uzasadnienia. W najgorszym razie to drugie źródło będzie pracować nieco dłużej.

Kiedy jednak warto zdecydować się na nieco większe źródło dolne:

• preferujemy utrzymywanie w budynku nieco wyższej temperatury niż standardowe 20°C. Każdy stopień więcej oznacza kilkuprocentowy wzrost zapotrzebowania na ciepło;
• obliczenia strat ciepła wykonano niezbyt dokładnie, podejrzewamy większy wpływ mostków cieplnych itp. Trzeba uprzedzić, że tego rodzaju obliczenia zwykle są niezbyt dokładne i straty ciepła okazują się niedoszacowane;
• przyjęto optymistyczną wartość wydajności cieplnej gruntu, a ta zmienia się w czasie np. wraz z wahaniami poziomu wód gruntowych.

Zawsze pamiętajmy, że moc źródła dolnego musimy dopasować do mocy wybranej pompy ciepła, a tę do strat ciepła faktycznie charakteryzujących budynek. Wracamy tu więc do wspomnianej na początku artykułu ścisłej zależności pomiędzy tymi trzema elementami

Wydajność cieplna gruntu zmienia się przy tym w bardzo szerokim zakresie, zależnie od jego rodzaju. Jako przykład można podać wartości uwzględnione w normie EN 15450:2007. Widać od razu, że zasadniczą sprawą jest stopień nasączenia gruntu wodą. Ponadto warto wiedzieć, że w tej normie europejskiej umieszczono wartości wprost wzięte z niemieckiej wytycznej VDI 4640, opracowanej przez Związek Inżynierów Niemieckich. Nasze warunki klimatyczne są zaś nieco trudniejsze od niemieckich, szczególnie we wschodniej części kraju. Dlatego rozsądne wydaje się ostrożne podejście i przyjmowanie mniej optymistycznych wartości. Choćby dłuższego czasu pracy pompy (2400 h/rok). 

Jak jednak te wytyczne zastosować w praktyce? Na przykład jeżeli mamy pompę o mocy cieplnej 10 kW i współczynniku COP 4, to znaczy, że 2,5 kW mocy pobierane jest z sieci, a pozostałe 7,5 kW z gruntu (10 kW : 4 = 2,5 kW). Zakładając, że grunt zapewni nam 15 W/m2 , na kolektor będziemy musieli przeznaczyć ok. 500 m2 działki (7500 W : 15 W/m2 = 500 m2 ). Bardziej skomplikowane jest wyznaczenie potrzebnej głębokości i liczby odwiertów. Tu kluczowa jest budowa geologiczna, bo wydajność cieplna 1 m odwiertu wynosi od 25 do 80 W/m. Przy czym – ze względu na sam uzysk ciepła – lepszy jest układ z głębokimi, lecz nielicznymi odwiertami. Temperatura gruntu od głębokości ok. 15 m zasadniczo nie zmienia się już w zależności od pory roku. Na tej głębokości mamy zwykle 10 do 15°C. W większości miejsc temperatura rośnie przy tym wraz z głębokością. Tu ujawnia się już bowiem wpływ ciepła pochodzącego z wnętrza Ziemi. Wyjątkiem są miejscowe pozostałości wiecznej zmarzliny, na które można trafić np. w okolicach Suwałk. Tam głębokie warstwy gruntu potrafią mieć bardzo niską temperaturę. 

Jednak w normalnych warunkach głębokie odwierty są najlepsze, bo temperatura pierwszych 5 czy nawet 10 m od poziomu terenu zimą jest niższa, niż głębokich warstw. W układzie z wieloma płytkimi odwiertami, płyn niezamarzający traci część ciepła właśnie w tej strefie. Ostatecznie o tym, jak głębokie odwierty warto wykonać, decydują możliwości techniczne i koszt prowadzenia tych prac.

Jakie źródło górne wybrać?

Wiemy już, że jeżeli patrzeć tylko na warunki pracy pompy ciepła, to wewnątrz budynku najlepsza byłaby niskotemperaturowa instalacja grzewcza. Powinno więc to być ogrzewanie podłogowe lub inne płaszczyznowe. W takim układzie udaje się bowiem nawet w czasie dużych mrozów utrzymywać temperaturę wody w obiegu c.o. nie wyższą niż 35°C. Oczywiście, pod warunkiem, że straty ciepła nie są zbyt duże i ogrzewanie podłogowe jest wystarczająco wydajne

W praktyce jednak sytuacja jest znacznie trudniejsza. Większość starszych, remontowanych obecnie budynków ma bowiem instalacje grzewcze zbudowane z wykorzystaniem grzejników ściennych. Wykonanie w nich podłogówki zwykle nie wchodzi zaś w grę. Najczęściej więc to samą pompę ciepła oraz pozostałe elementy systemu grzewczego trzeba dopasować do cech grzejników, które już są w pokojach. Ewentualnie, można pomyśleć o ich wymianie na inne grzejniki, które lepiej poradzą sobie przy niższej temperaturze wody w obiegu.

Co warto wiedzieć o tradycyjnych grzejnikach?

Moc cieplna grzejnika ściennego zależy od temperatury:

• wody zasilającej;
• wody powracającej;
• panującej w pomieszczeniu.

Dlatego w katalogach zawsze podaje się ją, uwzględniając te 3 parametry. Moc grzejnika może wynosić np. 900 W przy parametrach 75/65/20°C (temperatura wody na zasilaniu/temperatura wody na powrocie/temperatura powietrza w pomieszczeniu). Jednak w dawnych instalacjach często projektowano znacznie wyższą temperaturę wody jako maksymalną. Mogło to być nawet 90/70/20°C, w bardzo starych domach właśnie takie wartości przyjmowano jako standardowe, szczególnie w układach grawitacyjnych (bez pompy), z zasypowymi kotłami na węgiel. Po wymianie kotła na pompę ciepła – tak wysoka temperatura wody jest po prostu niemożliwa do uzyskania. Za standard w przypadku pomp ciepła w układach z grzejnikami uznaje się 55°C na zasilaniu oraz 50°C na powrocie. Nawet specjalne tzw. pompy wysokotemperaturowe uzyskują zwykle do 70°C.

Pompa ciepła to stosunkowo uniwersalne urządzenie - współpracuje z wieloma modelami grzejników fot. Daikin

Nie zawsze musi to jednak oznaczać, że ogrzewanie pompą ciepła będzie niewydolne.

1. Po pierwsze, z założenia maksymalna temperatura wody w obiegu jest potrzebna jedynie bardzo krótko, tylko gdy temperatura zewnętrzna spada do ok. -20°C. W praktyce zaś tak duże mrozy trwają krótko i choćby w tym czasie ogrzewanie nie było w pełni wydolne, to możemy tego w ogóle nie odczuć.
2. Po drugie, w wielu domach przez lata straty ciepła zmniejszano, wymieniając okna na nowe, docieplając ściany itp. W efekcie tak naprawdę nie potrzeba już pełnej, pierwotnie projektowanej mocy ogrzewania.
3. Po trzecie, dawne instalacje, zarówno kotły, jak i grzejniki, dobierano z pewnym nadmiarem. Szczególnie wyraźnie widać to w przypadku ogrzewania kotłami na węgiel, w przypadku których całkiem rozsądnie zakładano, że nie będą one przecież pracować z pełną mocą przez cały czas. W przypadku urządzeń zasypowych, byłoby to nierealne. Natomiast pompa ciepła, jako sprzęt bezobsługowy, faktycznie jest w stanie działać w sposób ciągły

Trzeba się jednak liczyć z tym, że moc typowych grzejników znacznie spadnie, gdy będą zasilane mniej gorącą wodą przygotowywaną przez pompę. O ile typowy grzejnik płytowy przy temperaturze zasilania i powrotu 75/65°C osiągał moc 900 W, to przy obniżeniu jej do 55/50°C zapewni już tylko ok. 500 W. Natomiast przy 45/40°C osiągnie zaledwie 300 W. Różnice są więc zasadnicze i przejście z zasilania grzejników przez kocioł na pompę ciepła będzie wymagać albo używania jakiegoś dodatkowego źródła ciepła w okresie większych mrozów, albo modernizacji całej wewnętrznej instalacji grzewczej.

Specjalne grzejniki

Niektóre rodzaje grzejników znacznie lepiej niż wersje typowe radzą sobie z ogrzewaniem wnętrz, gdy temperatura wody w obiegu jest niska. To przede wszystkim grzejniki z obiegiem powietrza wymuszonym dzięki pracy wentylatorów, zaprojektowane specjalnie z myślą o niskotemperaturowych instalacjach grzewczych. Drugą grupę stanowią tzw. klimakonwektory, zbudowane dość podobnie, w których wentylatory umożliwiają też efektywne chłodzenie pomieszczeń, gdy w obiegu krąży ochłodzona woda.

Sposób działania jest tu dość prosty, bo ruch powietrza wywołany przez wentylatory wydatnie poprawia wymianę ciepła pomiędzy grzejnikiem i jego otoczeniem. W praktyce jednak grzejniki tego rodzaju powinny być bardzo wysokiej jakości. Ich wentylatory muszą być bardzo ciche i powinny mieć funkcję automatycznej regulacji obrotów, w zależności od wymaganej w danej chwili mocy. Warto jednak rozważyć ich zastosowanie, bo założenie takich wersji zamiast typowych grzejników umożliwia rzeczywiście efektywną pracę systemów niskotemperaturowych

Ogrzewanie podłogowe a pompa ciepła

W części domów, w których zdecydujemy się na wymianę kotła na pompę ciepła, będzie ogrzewanie podłogowe. W końcu zaczęło się ono upowszechniać w naszym kraju już jakieś 20 lat temu.

W niektórych budynkach uda się też wykonać ogrzewanie podłogowe, ewentualnie inne płaszczyznowe, w ramach remontu. Najczęściej wówczas, gdy wymieniana jest cała konstrukcja podłogi oraz jej izolacja, np. gdy była to drewniana podłoga na legarach. Są jednak także rozmaite rozwiązania systemowe, pozwalające wykonać wodne ogrzewanie podłogowe jako znacznie lżejsze i cieńsze, niż typowy wariant z wylewką grubą na 6 cm lub więcej.

Jeżeli możliwe jest wykonanie ogrzewania podłogowego, to naprawdę warto je zrobić. Podłogówka umożliwia utrzymanie bardzo niskiej temperatury wody w obiegu, a więc i najlepsze warunki pracy pompy fot. Ecopol-System

Jeśli z jakichś względów ogrzewanie podłogowe nie wchodzi w grę, a chcemy stworzyć jak najlepsze warunki do pracy pompy, to warto zainteresować się ogrzewaniem sufitowym i ściennym. Jako płaszczyznowe również jest ono niskotemperaturowe. Wariant sufitowy ma przy tym tę zaletę, że sufit zwykle nie jest niczym zasłonięty. Ponadto obniżenie sufitu np. o 3 cm nie powinno zepsuć funkcjonalnie pomieszczeń. Trzeba jeszcze przestrzec przed wykonywaniem układów mieszanych, czyli z podłogówką i grzejnikami, na potrzeby pomp ciepła. Robi się je wręcz powszechnie w domach ogrzewanych kotłami i działają tam całkiem nieźle. Jednak w przypadku zasilania ogrzewania przez pompę ciepła jest to zdecydowanie złe rozwiązanie. Polega bowiem na tym, że kocioł przygotowuje wodę o stosunkowo wysokiej temperaturze, właściwej do zasilania grzejników. Następnie część wody jest mieszana z tą już ochłodzona, powracającą do kotła, i wówczas zasila podłogówkę. Jednak zastosowanie takiego układu mieszającego wraz z pompą ciepła spowoduje, że pompa będzie musiała podgrzewać całą wodę do wysokiej temperatury, a dopiero potem część z niej zostanie niejako sztucznie schłodzona. Bardzo negatywnie odbije się to na sprawności pompy, nie będzie efektu jej współpracy z ogrzewaniem niskotemperaturowym.

Jak dużej mocy pompy ciepła będziemy potrzebować?

Moc grzewcza pompy powinna być na tyle duża, żeby była ona w stanie pokryć zapotrzebowanie budynku na ciepło.

Tu trzeba jednak od razu poczynić zasadnicze zastrzeżenie. Pompa musi pokryć całość strat ciepła tylko wówczas, jeżeli ma być jedynym źródłem ciepła w budynku. jeżeli będzie wspomagana innym źródłem ciepła – grzałkami elektrycznymi, elektrycznym kotłem lub dogrzewaczem wody, jakimkolwiek innym kotłem, czy wreszcie kominkiem, to jej moc może być niższa. Moc takiego skojarzonego układu powinien dobrać dobry fachowiec, bo znaczenie ma np. czy oba urządzenia grzewcze mogą działać równocześnie i ich moce się sumują (np. pompa i dogrzewacz elektryczny), czy może źródła ciepła działają alternatywnie. W tym drugim wariancie pompa działa do pewnej granicy temperatury zewnętrznej, np. -7°C, natomiast po jej przekroczeniu pompa się wyłącza i całość ogrzewania zapewnia już tylko konwencjonalne źródło. Taki układ najczęściej spotyka się w domach, w których pozostawiono dotychczasowy kocioł i całą współpracującą z nim instalację, a pompę ciepła dodano jako nowe źródło ciepła.

Moc pompy nie jest wartością stałą, zmienia się w zależności od temperatury źródła dolnego i górnego fot. Galmet

Jeszcze raz przypomnijmy, że dobierając pompę ciepła musimy uwzględnić nie tylko jej moc nominalną podaną przez producenta, ale przede wszystkim moc rzeczywiście uzyskiwaną przy takiej temperaturze źródła górnego i dolnego, jaka faktycznie występuje w naszym przypadku. Moc pomp powietrze/woda bywa bowiem podawana przy temperaturze zewnętrznej +2°C, a nawet +7°C, co do warunków zimowych ma się po prostu nijak. Jednak szanujący się producenci udostępniają pełną informację o parametrach pomp, zarówno z uwzględnieniem temperatury źródła dolnego, jak i górnego. Jeżeli takich informacji brak, to powinien tobyć dla nas sygnał ostrzegawczy, że najwyraźniej nie ma się czym chwalić. Ponadto pompa, która naprawdę dobrze radzi sobie przygotowując wodę grzewczą o temperaturze 35°C, może mieć słabe wyniki podgrzewając ją do 55°C. Dlatego urządzenie zawsze trzeba dobierać precyzyjnie z myślą o konkretnym budynku. Wymagana jest bez porównania większa dokładność niż przy doborze kotła. Z tego też względu nie podajemy jakichś przybliżonych wartości potrzebnej mocy. Tego rodzaju uproszczenia mogą prowadzić do zasadniczych błędów w doborze. Zawsze, kiedy planujemy zastąpić kocioł pompą lub dodać ją jako drugie źródło ciepła, obowiązkowym elementem całego przedsięwzięcia powinno być wykonanie audytu energetycznego przez fachowca. Określi on jak duża moc grzewcza jest potrzebna i czy da się ją obniżyć rozsądnymi działaniami termomodernizacyjnymi. 

Jak uzyskać dopłatę do pompy ciepła?

Pompy ciepła to urządzenia niewątpliwie kosztowne. Przy tym w ich przypadku związek pomiędzy ceną i mocą nominalną jest bardzo wyraźny. Nie bez racji też producenci mają w ofercie cały wachlarz modeli, jedynie nieznacznie różniących się mocą, np. 5; 7; 9; 12; 16 kW. W przypadku kotłów stopniowanie mocy jest znacznie mniej dokładne, a różnice cen w zależności od mocy są często symboliczne – szczególnie w przypadku urządzeń gazowych.

Sama pompa ciepła typu powietrze/woda o mocy 9 kW kosztuje przynajmniej ok. 20 000 zł, jednak najczęściej ceny są znacznie wyższe, bliższe 30 000 zł. Chociaż trzeba uprzedzić, że zróżnicowanie jest bardzo duże. Same pompy gruntowe kosztują dość podobnie, jednak w ich przypadku instalacja po stronie dolnego źródła to wydatek kolejnych kilkunastu tysięcy złotych.

Dofinansowanie pomp ciepła w ramach programu „Czyste Powietrze”.

Dlatego atrakcyjność wymiany kotła na pompę bardzo wzrasta, jeżeli zdecydujemy się skorzystać z programu „Czyste Powietrze”. Tu pokazujemy tylko drobną część systemu dopłat, odnoszącą się bezpośrednio do pomp ciepła. W każdym razie ten program, z założenia służący głównie walce ze smogiem, umożliwia pokrycie nawet ponad połowy kosztów zakupu pompy.

Jarosław Antkiewicz
Fot. Nibe-Biawar/Galmet/Ecopol-System/Dikin/SAS/Rehau/Stiebel Eltron/De Dietrich/Gree/Thermosilesia