Jak działa pompa ciepła?

Jak dobrze wybrać pompę ciepła?

Kupić technicznie dobrą pompę ciepła to obecnie żadna sztuka. Jednak będziemy z niej w pełni zadowoleni tylko jeżeli zostanie prawidłowo dopasowana do potrzeb. W pierwszym rzędzie musimy zdecydować do czego w ogóle ma służyć.

• ogrzewanie budynku;
• ciepłą wodę użytkową (c.w.u.); chłodzenie.

Pompa ogrzewająca wnętrza zwykle zapewnia też c.w.u. Wymaga do tego zasobnika, który może być sprzedawany wraz z nią i zamknięty w jednej obudowie, albo może podgrzewać ją w osobnym, dostępnym jako opcja zbiorniku. Czasem, żeby móc wykorzystywać pompę do przygotowywania c.w.u., trzeba kupić dodatkowy moduł do pompy.

Pompa ogrzewająca budynek prawie zawsze służy też do przygotowywania c.w.u. (fot. Alpha Innotec (Hydro-Tech))

Zupełnie osobną klasę stanowią pompy przeznaczone tylko do podgrzewania ciepłej wody. To urządzenia o małej mocy, najczęściej ok. 1,5 kW i ze zintegrowanym zasobnikiem wody, chociaż są i takie, które można podłączyć do zewnętrznego zasobnika.

Z kolei w przypadku modeli, których głównym zadaniem jest ogrzewanie, funkcja chłodzenia może być dostępna w standardzie, jako opcja wymagająca zakupu modułu rozszerzającego, albo może nie być jej wcale. Przy tym trzeba wyraźnie rozgraniczyć dwa sposoby chłodzenia.

Aktywne oznacza, że w pompie zmienia się kierunek obiegu ciepła i działa ona jak klimatyzator. W przypadku pomp powietrznych (powietrze/woda lub powietrze/powietrze), to jedyna możliwość chłodzenia. W trybie chłodzenia aktywnego sprężarka pracuje, zużycie prądu jest więc stosunkowo duże.

Pasywne, nazywane też free cooling lub natural cooling, polega na wykorzystaniu gruntu lub wód jako odbiornika ciepła pochodzącego z domu. Pompy powietrzne nie mogą więc tak działać. W gruntowych jest to standard lub opcja. Wykorzystujemy tu fakt, że latem grunt lub woda gruntowa ma i tak niską temperaturę, rzędu 10°C. Może więc odbierać ciepło z wnętrz o wyższej temperaturze bez potrzeby uruchamiania sprężarki pompy. Pracują tylko pompy obiegowe dolnego i górnego źródła. Stąd wynikają niskie koszty eksploatacji, bo to sprężarka jest najbardziej energochłonnym elementem całego systemu.

Podsumowując, dopiero po przemyśleniu jakich funkcji potrzebujemy, do czego tak naprawdę ma posłużyć pompa - możemy przystąpić do jakiegokolwiek wyboru.

POMPA CIEPŁA - JAKIE ŹRÓDŁO DOLNE?

Źródło dolne to element otoczenia, z którego pompa pobiera ciepło i przekształca je na użyteczną dla nas postać. Gdy już wiemy, co ma ona zapewniać - przychodzi czas decyzji o rodzaju źródła dolnego. Ale jesteśmy tu zależni od warunków działki, nie jest to faktycznie tylko kwestia upodobań.

Powietrze zewnętrzne, jako jedyne, może być źródłem dolnym na każdej działce. Wynika to z faktu, że mamy do niego właściwie nieograniczony dostęp i nie trzeba wykonywać na posesji jakichkolwiek instalacji. To wielkiej wagi zaleta na małych działkach oraz w domach remontowanych. Pierwszy przypadek nie wymaga chyba objaśnienia. W drugim zaś mamy przecież już wówczas zagospodarowaną działkę, często z zadbanym ogrodem, którego nie chcemy przekopywać.

Fakt, że nie robimy instalacji po stronie źródła dolnego, oznacza też wyraźnie niższe niż w pozostałych rozwiązaniach, koszty inwestycji. Każda pompa powietrzna okupuje to, niestety, dużym spadkiem sprawności przy niskiej temperaturze zewnętrznej. A przecież właśnie wtedy potrzebujemy najwięcej ciepła. Dlatego musimy się liczyć z większymi kosztami ogrzewania niż dla pozostałych rodzajów pomp.

Jeżeli jednak rozważymy wszystkie za i przeciw - koszty inwestycyjne, eksploatacyjne, łatwość instalacji, pompa typu powietrze/woda i tak okazuje się często najrozsądniejszym rozwiązaniem.

Pompy typu powietrze/woda nie wymagają wykonania instalacji po stronie źródła dolnego. To jedna z przyczyn ich rosnącej popularności. (fot. Nibe-Biawar)

Grunt, z którego ciepło odbierać można za pomocą tzw. kolektora poziomego (rury zakopane na głębokości ok. 2 m) albo rur umieszczonych w pionowych głębokich odwiertach.

Najpopularniejszy jest wariant solanka/woda, gdzie w rurach w ziemi krąży płyn niezamarzający. Połączenie z pompą następuje zaś przez wymiennik ciepła. Efektywniejszym energetycznie rozwiązaniem jest jednak tzw. bezpośrednie odparowanie. To układ, w którym układa się poziomo w gruncie miedziane rury z krążącym czynnikiem roboczym pompy ciepła. Odbiór ciepła jest lepszy, bo nie ma tu wymiennika. Układy w systemie z bezpośrednim odparowaniem wymagają bardzo starannego zaprojektowania i wykonani. Całość robi firma sprzedająca nam pompę.

Grunt to przede wszystkim źródło ciepła o dość stałych parametrach. Generalnie im głębiej, tym cieplej, a sezonowa zmienność temperatury jest mało lub wcale nieodczuwalna. Oznacza to stabilne warunki pracy i niższe koszty eksploatacyjne, niż w przypadku pomp powietrznych.

Jednak są i wady. Na wykonanie gruntowej instalacji źródła dolnego trzeba przeznaczyć nawet kilkanaście tysięcy złotych. Ta z kolektorami poziomymi wymaga przy tym kilkuset metrów kwadratowych działki bez zabudowy, utwardzenia terenu, a nawet większych roślin. Na małych parcelach to po prostu nie wchodzi w rachubę. Odwierty nie zabierają zbyt wiele miejsca, ale za to ich zrobienie jest wyraźnie droższe i wymaga użycia specjalistycznego sprzętu do wierceń.

Temperatura gruntu zmienia się niewiele nawet w czasie największych mrozów. To bardzo ważne dla pracy pompy ciepła. (fot. De Dietrich (Sofath))

Woda podziemna lub powierzchniowa to zdecydowanie najlepszy nośnik ciepła. Do tego o dość wysokiej temperaturze. Jednak działek, na których da się z nich bez problemu skorzystać, jest mało. Zasadniczym problemem jest skład wód podziemnych. Bardzo często ich wykorzystanie jest trudne - ze względu na dużą zawartość żelaza i manganu, które zatykają filtry i wymiennik pompy ciepła.

POMPY CIEPŁA - JAKIEJ MOCY POTRZEBUJEMY?

Żeby odpowiedzieć na pytanie jakiej mocy pompy potrzebujemy musimy najpierw znać odpowiedź na kilka innych.

• Jakie są straty ciepła budynku?

W dopiero budowanym domu te dane powinny być w projekcie. W istniejącym warto wykonać audyt, bo rozmaite popularne kalkulatory i metody szacunkowe mogą dać wynik bardzo odbiegający od rzeczywistości;

• Z jakim źródłem dolnym oraz jaką instalacją grzewczą w budynku (tzw. źródłem górnym) będzie współpracować pompa?

Jej moc nie jest bowiem wartością stałą i bardzo zależy od temperatury zarówno po stronie dolnego, jak i górnego źródła;

• Czy pompa będzie jedynym źródłem ciepła, czy też przewidujemy ich więcej?

Pompę może wspomagać choćby kominek, w którym będziemy rozpalać w czasie największych mrozów. Taki układ z dwoma źródłami ciepłą nazywamy biwalentnym. W tym akurat przypadku moce cieplne się sumują. Jednak możliwy jest też układ alternatywny - do pewnej temperatury zewnętrznej pracuje tylko pompa ciepła, a przy jeszcze większym mrozie wyłącza się i zastępuje ją np. kocioł na gaz płynny lub nawet grzałki elektryczne.

Rzecz w tym - że przede wszystkim w przypadku pomp powietrznych - ich działanie może być przy dużym mrozie zbyt mało ekonomiczne, w ogóle niemożliwe, albo moc będzie zbyt niska. Dlatego wiele pomp ma w standardzie jeszcze grzałki elektryczne, które mogą poza tym stanowić zabezpieczenie na wypadek awarii. Są też urządzenia hybrydowe, składające się z powietrznej pompy ciepła i kotła gazowego. Ich automatyka sama uruchamia to źródło ciepła, które pracuje w danych warunkach bardziej ekonomicznie i z wyższą sprawnością.

Generalnie, w nowych domach o typowej powierzchni użytkowej 150 m², najpewniej wystarczy pompa o mocy nominalnej do 10 kW. Jednak powinien ją obliczyć specjalista.

Moc pompy dobieramy do potrzeb budynku znacznie staranniej niż moc kotła. Także dlatego, że pompa większej mocy jest odczuwalnie droższa. (fot. Galmet)

CO OZNACZA COP?

Jeżeli mamy np. pompę o mocy cieplnej 10 kW i współczynniku COP 4, to oznacza to, że 2,5 kW pobierane jest z sieci, a pozostałe 7,5 kW ze źródła dolnego, np. z gruntu (10 kW : 4 = 2,5 kW).

Współczynnik COP to stosunek ilości ciepła dostarczonego do budynku do ilości energii elektrycznej zużytej przez pompę. W naszym przykładzie wynosi 4, co bywa też opisywane jako sprawność 400%. Wskaźnik COP to podstawowy parametr opisujący sprawność energetyczną pompy - im jest większy, tym mniej energii elektrycznej potrzeba do uzyskania tej samej ilości ciepła. Wprost przekłada się więc na koszty eksploatacji.

Pamiętajmy przede wszystkim, że nie jest wartością stałą. Zależy od temperatury źródła dolnego i górnego. Żeby móc porównywać pompy musimy znać te parametry oraz sama procedurę badawczą (zgodnie z którą normą go wyznaczono).

Ponadto trzeba uprzedzić, że w przypadku pomp powietrznych, COP bardzo wyraźnie spada przy ujemnej temperaturze powietrza. Tym bardziej, że już kilka stopni powyżej 0°C, konieczne jest odszranianie pokrywającego się lodem parownika. A to pochłania energię. Dlatego nie dajmy się zwieść chętnie podawanej wartości COP przy temperaturze +7° lub nawet wyższej. W warunkach zimowych będzie znacznie gorzej.

W opisach parametrów pomp typu powietrze woda oraz klimatyzatorów z funkcją grzania, czyli faktycznie pomp typu powietrze/ powietrze znajdziemy sezonowy wskaźnik COP - SCOP. Z założenia ma on obrazować uśrednioną sprawność pompy w ciągu sezonu grzewczego. Jednak w naszym klimacie nie należy się nim kierować. Raczej wprowadza on w błąd niż pozwala rzetelnie ocenić pracę urządzenia.

Sama idea jest jak najbardziej słuszna. Gorzej z realizacją. Otóż SCOP wyznacza się dla warunków klimatycznych, które nie odpowiadają naszemu krajowi. Przyjmuje się do obliczeń tzw. strefę klimatu umiarkowanego, podczas gdy Polska leży w zimniejszej strefie tzw. klimatu chłodnego.

A różnica jest zasadnicza, zarówno jeżeli chodzi o zakres temperatury jak i długość sezonu grzewczego. Dość powiedzieć, że w strefie klimatu umiarkowanego nie zakłada się w ogóle spadku temperatury poniżej -10°C. Temperatury w sezonie grzewczym są także zawyżone, mają się nijak do krajowych realiów. W efekcie wnioskowanie w oparciu o wartość SCOP na temat realnej sprawności pompy w warunkach zimowych nie ma sensu.

POMPA CIEPŁA - JAKIE ŹRÓDŁO GÓRNE?

Generalnie można przyjąć, że zarówno moc pompy, jak i współczynnik COP wzrasta, jeśli rośnie temperatura źródła dolnego, a maleje, gdy rośnie temperatura w obiegu źródła górnego.

Mamy więc odpowiedź, skąd typowa dla pomp powietrznych zmienność mocy. Temperatura powietrza zewnętrznego w sezonie grzewczym zmienia się od -20°C do +10°C.

Drugi ważny wniosek jest taki, że ta sama pompa, niezależnie od rodzaju źródła dolnego, osiąga wyższą moc zasilając ogrzewanie niskotemperaturowe, np. podłogowe (ok. 30°C), niż grzejniki ścienne (ok. 50°C). Oczywiście na to, jak duże będą to różnice wpływa budowa pompy i zastosowany w niej czynnik roboczy.

W domach z pompami ciepła pierwszym wyborem powinno być więc ogrzewanie płaszczyznowe: podłogowe, sufitowe, ścienne. Można też z powodzeniem stosować grzejniki z wentylatorami wymuszającymi intensywny ruch powietrza. Zaś użycie zwykłych grzejników jest zasadne tylko w już istniejących domach, gdzie wykonanie ogrzewania płaszczyznowego byłoby zbyt kłopotliwe.

Klimakonwektory to specjalna odmiana grzejników umożliwiająca też chłodzenie wnętrz. (fot. Daikin)

 

Ogrzewanie podłogowe na potrzeby pomp ciepła wykonuje się tak, żeby uzyskać wymaganą moc cieplną przy jak najniższej temperaturze wody w obiegu. Dlatego rurki układa się gęściej. (fot. Clima Komfort)

DLA KOGO SPRĘŻARKA Z INWERTEREM?

Najważniejszym i najdroższym elementem pompy ciepła jest sprężarka. A dla jej trwałości liczy się nie tylko czas pracy. Nawet ważniejsze okazuje się to, jak często jest włączane i wyłączana oraz czy pracuje w optymalnym zakresie obciążenia. Wartości skrajne - zarówno minimalne, jak i maksymalne obciążenie - nie jest wskazane dla pomp z regulacją mocy czyli inwerterem.

Producenci sprężarek niejednokrotnie podają nawet trwałość sprężarki jako liczbę cykli włącz/wyłącz. Płynie stąd oczywisty wniosek, że najlepiej, jeżeli pompa może pracować w sposób ciągły, jedynie zmieniając swą moc w zależności od zmian zapotrzebowania budynku na ciepło.

I tak działają sprężarki inwerterowe z płynną regulacją mocy. To rozwiązanie jest już standardem w pompach powietrznych. I nic w tym dziwnego, gdy uświadomimy sobie, że moc takiej pompy rośnie, gdy wzrasta temperatura powietrza zewnętrznego. Za to zapotrzebowanie budynku na ciepło w takich warunkach zmniejsza się. Mamy więc jakby coraz bardziej rozwierające się nożyce, problem z dopasowaniem mocy. I radą na to jest właśnie inwerter.

Jednak nie zawsze płynna regulacja mocy jest potrzebna. Pompy gruntowe i wodne mają do dyspozycji źródło dolne o w miarę stałej temperaturze. Dysproporcja pomiędzy ilością uzyskiwanego ciepła, a zapotrzebowaniem na nie, nie jest więc tak duża. Ponadto instalacja grzewcza, czy raczej sam budynek ma często znaczną zdolność do akumulacji ciepła. Najbardziej widać to w przypadku ogrzewania podłogowego z grubą wylewką.

Taka podłoga to akumulator ciepła o pojemności kilkudziesięciu kWh. Jej nagrzanie wymaga kilku godzin, bez problemu wchłonie ona ciepło oddawane przez pompę pracującą z pełną mocą. Do przegrzania pomieszczeń nie dojdzie.

KUPUJEMY POMPY CIEPŁA - CO DOSTAJEMY W STANDARDZIE?

Porównując oferty koniecznie sprawdźmy za co dokładnie płacimy. Może to być sama pompa bez osprzętu i pomp obiegowych albo kompletna, kompaktowa centrala ze zintegrowanym zbiornikiem c.w.u. Do niej wystarczy przyłączyć rurociągi źródeł górnego i dolnego, wodę oraz prąd.

Sprawdzajmy więc, czy kupowana przez nas pompa ma dodatkowe grzałki elektryczne, jak duży i z czego wykonany zbiornik c.w.u., jaką automatykę. Poprośmy przy tym o pomoc fachowca, bo szczególnie to ostatnie trudno dobrze ocenić amatorowi. Bezawaryjne i zapewniające komfort cieplny w budynku działanie pompy ciepła w dużej mierze zależy od automatyki nadzorującej jej pracę. To skomplikowane i nietanie elementy elektroniczne. Jednak bez dobrego układu sterowania pompa będzie działać mniej ekonomicznie, a jej trwałość spadnie w wyniku częstszych włączeń i wyłączeń. Komfort cieplny w domu też może być niższy.

Autor: Jarosław Antkiewicz
fot. otwierająca: De Dietrich (Sofath)