Pompy ciepła - wybór systemu i koszty

Urządzenia działają na tej samej zasadzie, co domowa chłodziarka i choć wymagają do pracy zasilania elektrycznego, służy ono jedynie do pompowania darmowego ciepła z tzw. źródła dolnego (z gruntu, powietrza, wody gruntowej lub powierzchniowej), do tzw. źródła górnego, czyli domowej instalacji grzewczej w postaci grzejników, ogrzewania podłogowego. Pompa ciepła w taki sposób pompuje i przekształca ciepło, czerpane ze źródła o niższej temperaturze (np. na grunt), aby móc ogrzać budynek, bądź wodę użytkową.

Wysoka wydajność pompy ciepła

Działanie urządzeń głównie polega na osiąganiu możliwie najwyższej sprawności pompowania ciepła, określanej współczynnikiem COP = Q/Qe (przy czym Q to ciepło oddawane do instalacji grzewczej, zaś Qe to pobierana energia elektryczna). Sprawność pompowania ciepła jest tym większa, im mniejsza jest różnica temperatury między źródłem górnym, stanowiącym w układzie grzewczym odbiornik ciepła, a źródłem dolnym, czyli dostawcą ciepła. W domowych instalacjach współczynnik COP pompy ciepła ma zazwyczaj wartość 3-6, czyli urządzenie, zużywając 1 kWh energii elektrycznej, oddaje do instalacji ogrzewania 3-6 kWh energii cieplnej.

Model o mocy 7-10 kW wystarcza dla dobrze zaizolowanych termicznie domów o pow. 150-200 m2 (zapotrzebowanie na ciepło na ogół wynosi w nich 50 W/m2). Wymaganą moc pompy oblicza się następująco: np. 180 m2 x 50 W/m2 = 9 kW.

Tanie ogrzewanie (albo chłodzenie)

We właściwie zaprojektowanej instalacji grzewczej z pompą ciepła łączne zużycie prądu nie jest duże. Roczne koszty ogrzewania domu o pow. 200 m2 i przygotowania dla niego c.w.u. średnio wynoszą 1000-2000 zł, podczas gdy instalacja gazowa czyni to za ok. 3000 zł, zaś instalacja elektryczna za 6000 zł. W przypadku pompy ciepła obejmują również koszt prądu, zużywanego przez pompy obiegowe górnego i dolnego źródła oraz przez zamontowane wewnątrz urządzenia grzałki elektryczne (takie energożerne grzałki uruchamiają się okazjonalnie, tylko przy bardzo niskiej temperaturze powietrza na zewnątrz). Pożądane jest dwutaryfowe rozliczanie zużycia energii elektrycznej, bo wtedy opłaty będą najniższe.

Oprócz podstawowej funkcji grzewczej, pompa ciepła może chłodzić budynek, a robi to taniej, niż tradycyjna klimatyzacja.

Wybór systemu

Przed zaprojektowaniem instalacji z pompą ciepła koniecznie trzeba pragmatycznie rozstrzygnąć wszelkie kwestie, dotyczące wyboru dolnego źródła.

Grunt

Gruntowe pompy pracują efektywnie nawet w okresie silnych mrozów, więc w przeciwieństwie do większości pomp powietrznych - mogą być jedynym źródłem ciepła w budynku. Zbudowanie właściwego gruntowego źródła dolnego dla pompy ciepła, co prawda zwiększa koszt inwestycyjny (stanowczo odradza się oszczędzanie na jego budowie), lecz za to oferuje użytkownikom systemu grzewczego stabilną dostawę energii cieplnej i stały koszt wytworzenia 1 kWh. W polskim klimacie jest to duża zaleta.

Powietrze

Takie urządzenia są tańsze i łatwiejsze w montażu, od pomp gruntowych, ponieważ w ich przypadku nie wykonuje się kosztownej instalacji obejmującej źródło dolne (jest nim po prostu powietrze otaczające dom). Dla układu grzewczego nie mają żadnego znaczenia ani wielkość działki, ani naturalne warunki środowiskowe (rodzaj gruntu, czy jakość wody gruntowej albo powierzchniowej).

Pompy powietrzne cechuje jednak niższy współczynnik COP, w odniesieniu do reszty pomp, bowiem efektywność ich pracy zależy od temperatury powietrza zewnętrznego - które, niestety, jest słabym akumulatorem ciepła.

Kiedy temperatura powietrza wokół domu spada, wyraźnie obniżają się: moc grzewcza i współczynnik COP. Do przyszłych użytkowników należy zatem wybór, czy zainstalować wydajniejszą i droższą pompę, która w okresie silnych mrozów ogrzałaby dom do komfortowej temperatury, generując wtedy dość wysokie koszty (na szczęście, silne mrozy w ostatnich latach zdarzają się sporadycznie i są krótkotrwałe), czy może zastosować w budynku układ grzewczy z pompą powietrzną i innym urządzeniem grzewczym (grzałki, kocioł). W takim systemie pompa ma za zadanie pracować przez większość roku, a gdy temperatura spadnie i jej praca zaczyna być nieefektywna, automatyczny regulator w układzie uruchomi drugie źródło ciepła.

Woda gruntowa i powierzchniowa

Znakomicie akumuluje ciepło, więc zasłużenie uznaje się ją za najlepsze energetycznie źródło dolne. Do wad tego źródła ciepła zalicza się fakt, że często zawiera nadmierne ilości związków mineralnych, m.in. żelaza i manganu. Jeśli woda ma złe parametry, przed wymiennikiem pompy ciepła trzeba zamontować szeregowo tzw. wymiennik pośredni, który jednak powoduje gorsze wykorzystanie ciepła zawartego w wodzie. Za istotny negatyw wody, jako źródła ciepła, można przyjąć przypadki, kiedy nagle szwankuje wydajność wód gruntowych albo studni zrzutowych. Oznacza to kłopoty, wynikające z trudnych do przewidzenia zmian w środowisku naturalnym.

System dwie studnie

Wymaga wydrążenia dwóch studni o gł. zazwyczaj 6-15 m (otwory muszą sięgać warstwy wodonośnej). Jedna studnia dostarcza układowi grzewczemu wody o temperaturze ok. 10°C, a druga - odprowadza ją do gruntu po schłodzeniu przez pompę ciepła. Koszt wykonania studni to zaledwie ok. 3000 zł. Jeśli potrzebne są głębsze odwierty i droższe pompy głębinowe, a woda wymaga uzdatniania - koszt systemu rośnie.

Kolektor pionowy

Stosuje się go głównie na małych działkach. W otwory o gł. 30-50 m wkłada się rury w kształcie litery U i układ wypełnia płynem niezamarzającym. Ze względu na stabilną temperaturę gruntu na takiej głębokości pompa ciepła działa efektywnie i koszt wytworzenia 1 kWh ciepła jest stały i niedrogi. Minus - to wysoki koszt drążenia sond pionowych (20 000–30 000 zł)

Kolektor poziomy (płaski i spiralny)

Jego ułożenie kosztuje kilka tysięcy złotych i jest to idealne rozwiązanie na duże działki z gruntem nawodnionym i gliniastym (z 1 m2 gruntu uzyskuje się 30-40 W energii cieplnej, natomiast z piaszczystego i suchego tylko 10-15 W). Kolektor płaski tworzy się z rur PE, prowadzonych poniżej strefy przemarzania gruntu i w odpowiednich odstępach (czyli na gł. 1,5-2,0 m i w odstępach 1-1,5 m). Gdy grunt jest gliniasty i mokry, powierzchnia kolektora powinna być półtora raza większa od powierzchni domu. Gdy grunt jest piaszczysty i suchy, jego powierzchnię trzeba zwiększyć nawet 5 razy. Kolektor spiralny wymaga poprowadzenia rur w rowach w odstępach 3 m, więc zaoszczędza on zdejmowania grubej warstwy gruntu.

Odbiorniki ciepła, czyli źródło górne

Pompa ciepła, współpracując z dużym, niskotemperaturowym odbiornikiem ciepła, uzyskuje najwyższą sprawność. To z tego powodu najczęściej projektuje się dla niej niskotemperaturowe ogrzewanie podłogowe z temperaturą wody 28-35°C. Ogrzewanie płaszczyznowe można ewentualnie zamontować w ścianach lub suficie). Dzięki takiej instalacji w cieplejszej połowie roku możliwe jest jeszcze powierzchniowe chłodzenie pomieszczeń. Jeśli wykorzystuje się grzejniki, to powinny być odpowiednio duże i dostosowane do pracy z wodą o temperaturze ok. 50°C. W wielu domach górne źródło ciepła ma postać mieszaną, czyli podłogówkę i grzejniki.

Pompa ciepła - koszt inwestycyjny

Obecnie koszty kształtują się na poziomie 30 000-40 000 zł i obejmują pompę ciepła o mocy 7-10 kW, zasobnik c.w.u. i dolne źródło. Warto dodać, że dla tego rodzaju urządzenia grzewczego nie potrzeba komina spalinowego, ani kotłowni. Technologię pomp ciepła na pewno opłaca się zastosować na terenach bez dostępu do sieci gazowej, oraz gdy trzeba budować przyłącze gazowe o długości kilkuset metrów.

opr.: Lilianna Jampolska
zdjęcie: Nibe Biawar
film: Iglotech