2022-03-30 09:00:56 
- Jak działa pompa ciepła?
- Z czego wynika popularność pomp ciepła?
- Czy ogrzewanie pompą ciepła jest darmowe?
- Co to jest źródło dolne?
- Co to jest i jak działa kolektor poziomy?
- Jak buduje się instalację kolektora pionowego?
- Jaką pompę ciepła wybrać?
- Co to jest źródło górne?
- Jak buduje się instalację wodnego ogrzewania podłogowego?
- Jaka pompa powietrze/woda?
- Split czy monoblok - którą pompę ciepła wybrać?
- W jakich trybach pracują pompy ciepła?
10 lat temu, w 2012 r., sprzedano w Polsce nieco ponad 12 tys. pomp ciepła. W tym niecałe 1700 urządzeń typu powietrze/woda. W roku 2020 sprzedaż pomp ciepła ogółem była blisko 5 razy większa, za to modeli powietrznych sprzedano 42 tys., czyli wzrost był 25-krotny! Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła PORT PC szacuje, że w ubiegłym roku sprzedaż modeli powietrznych wyniosła blisko 80 tys. sztuk, co oznacza, że przez 10 lat rynek powiększył się 50 razy!
Jak działa pompa ciepła?
W domowym systemie grzewczym pompa ciepła ma takie samo zadanie, jak kocioł gazowy czy węglowy - służy do zasilania w ciepło instalacji centralnego ogrzewania (c.o.) oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Przy czym kocioł wytwarza ciepło, spalając gaz lub węgiel, a pompa tylko je pompuje i przetwarza, nie jest jego źródłem. Jej zadaniem jest przenoszenie energii cieplnej dostępnej w otoczeniu budynku - zmagazynowanej w ziemi, wodzie, powietrzu. Miejsce, z którego pompa pobiera ciepło, nazywa się źródłem dolnym, instalację grzewczą, do której jest ono przekazywane, źródłem górnym.
Urządzenie działa na takiej samej zasadzie jak chłodziarka, która odbiera ciepło z chłodzonych produktów i oddaje je do pomieszczenia. Pompa ciepła pompuje je z otoczenia (nawet jeśli jego temperatura jest niska) do wnętrza domu. W przeciwieństwie do kotłów nie potrzebuje komina, przyłącza gazowego, magazynu na opał.
Z czego wynika popularność pomp ciepła?
Powody popularności pomp ciepła są dwojakiego rodzaju - ekologiczne i ekonomiczne. Zacznijmy od tego, że pompa ciepła to rozwiązanie zdecydowanie proekologiczne. Urządzenie wykorzystuje do ogrzewania budynku energię dostępną w jego otoczeniu - w gruncie, powietrzu, wodzie. Niczego nie spala, nie emituje zatem żadnych szkodliwych substancji.
A świadomość ekologiczna inwestorów jest coraz większa - wszyscy wiedzą, jakim zagrożeniem jest smog i każdy chce oddychać czystym powietrzem. Z tego względu państwo, np. w ramach programu Czyste Powietrze, dopłaca do ekologicznych urządzeń grzewczych. I tu pojawia się argument ekonomiczny - można dostać dopłatę, a i ceny pomp ciepła (szczególnie modeli powietrznych) są atrakcyjniejsze, niż kilka lat wcześniej.
A to nie wszystko - jeśli pompę ciepła napędzimy prądem z własnej instalacji fotowoltaicznej, to ogrzewanie wyjdzie dużo taniej, niż grzanie węglem czy gazem, które ostatnio drożeją jak szalone!
Czy ogrzewanie pompą ciepła jest darmowe?
Nie. Urządzenie wymaga zasilania energią elektryczną - tę można pobierać z sieci albo może ją wytwarzać instalacja fotowoltaiczna. To drugie rozwiązanie jest bardziej ekologiczne, ale w sezonie grzewczym własnego prądu wytworzymy niewiele. 1 kW energii elektrycznej pozwala pozyskać od 2 do 5 kW ciepła. Stosunek ilości ciepła dostarczonego do budynku do ilości energii elektrycznej wykorzystanej przez pompę to wskaźnik COP - podstawowy parametr opisujący jej sprawność. Jeżeli pobierając 1 kW z sieci otrzymujemy 4 kW ciepła, współczynnik COP wynosi 4 (lub 400%).
Co to jest źródło dolne?
To stąd pochodzi ciepło wykorzystywane przez pompę. Źródłem dolnym może być grunt, woda albo powietrze, w których kumuluje się głównie energia promieniowania słonecznego.
Do niedawna najpopularniejsze były pompy gruntowe, czerpiące ciepło z ziemi. Są efektywne, lecz dość kosztowne. Ostatnio wyraźnie lepiej sprzedają się pompy powietrzne, które wyciągają ciepło z powietrza - nie są tak skuteczne jak gruntowe, za to przystępne cenowo i dużo łatwiejsze w instalacji.
Pompy typu woda/woda są najefektywniejsze energetycznie, jednak stosuje się je rzadko. Po prostu mało kto ma dostęp do wystarczająco głębokiego (minimum 3 m) jeziora czy stawu, na dnie którego rozkłada się wodny kolektor poziomy. Wybudowanie i użytkowanie studni czerpnej i zrzutowej, pozwalających na wykorzystanie ciepła z wód podziemnych, też jest dość skomplikowane i nie wszędzie możliwe.
Co to jest i jak działa kolektor poziomy?
Pompy gruntowe pobierają ciepło za pomocą kolektorów poziomych lub pionowych. Kolektor poziomy to rozległy układ rur z tworzywa, zakopanych nieco poniżej strefy przemarzania, na głębokości 1,5-2 m. Wypełnia się je niezamarzającym płynem, zwyczajowo zwanym solanką - najczęściej to roztwór glikolu etylowego lub propylowego. Krążąc w rurach, płyn odbiera ciepło z otoczenia i przez wymiennik ciepła przekazuje je pompie.
Wydajność kolektora poziomego zależy od rodzaju gruntu i nasycenia go wodą. Najlepsza jest ziemia gliniasta i mokra - 1 m2 ma wydajność cieplną na poziomie 30-40 W. W przypadku gleby suchej, niespoistej (piasków), wydajność spada do 8-10 W/m2. Przykładowo: przy wydajności gruntu 15 W/m2 i parametrach użytkowych pompy ciepła 10 kW mocy grzewczej i COP 4, na kolektor poziomy potrzeba 500 m2 działki.
Co ważne, tego terenu nie wolno zabudować, obsadzić drzewami, wybrukować. Do odnawiania zasobów ciepła w gruncie niezbędne jest bowiem podanie na niego promieni słonecznych i wnikanie wody opadowej.
Rur kolektora poziomego nie można układać zbyt gęsto - zwykle odstępy wynoszą około 1 m. Ich nadmierne zagęszczenie mogłoby prowadzić do długotrwałego zamarznięcia ziemi, w której umieszczono instalację - tak bardzo, że nie byłaby ona w stanie odmarznąć pomiędzy sezonami.
Jak buduje się instalację kolektora pionowego?
W kolektorze pionowym rury umieszcza się w odwiertach, zwykle o głębokości od 30 do 150 m. To rozwiązanie droższe, ponieważ potrzebny jest specjalistyczny sprzęt do wiercenia, lecz nie wymagające dużej parceli. Lepsze pod względem eksploatacyjnym, z powodu wyższej i stabilnej temperatury gruntu na większych głębokościach - poniżej 15 m przez cały rok wynosi ona przynajmniej 10°C. Po wprowadzeniu do odwiertu sondy geotermalnej (czyli rury/pary rur w kształcie U), wypełnia się go specjalną mieszanką, żeby szczeliny i pustki nie utrudniały wymiany ciepła.
Przy otworach o głębokości powyżej 30 m i wierconych na obszarach górniczych inwestor musi dopełnić formalności wynikających z ustawy Prawo geologiczne i górnicze. Niezbędny jest projekt robót geologicznych, a przy wierceniu na głębokości przekraczającej 100 m lub na terenach górniczych także plan ruchu zakładu górniczego.
Samo urządzenie (czyli pompę ciepła), o rozmiarach i wyglądzie lodówki, umieszcza się wewnątrz budynku. Dobrze zaprojektowana i wykonana instalacja może działać kilkadziesiąt lat.
Jaką pompę ciepła wybrać?
W przypadku pomp korzystających z ciepła zawartego w gruncie, współczynnik COP wynosi od 4 do 5 i co najważniejsze, nie zmienia się zależnie od temperatury zewnętrznej. Gdy chodzi o pompy typu powietrze/woda, średnia wartość współczynnika COP najlepszych urządzeń jest podobna, zaś w większości przypadków mniej korzystna. Problemem jest znaczny spadek sprawności, zwykle również mocy grzewczej, przy dużych mrozach (od około -10°C).
Ale pompa powietrzna nie wymaga budowy instalacji dolnego źródła, nie ma zatem związanych z tym wydatków. Inwestora nie ogranicza powierzchnia działki ani dostęp do wód, nie ma większego ryzyka popełnienia błędów wykonawczych, a z montażem można się uwinąć w jeden dzień. Niektóre modele powietrzne pracują efektywnie nawet przy temperaturze zewnętrznej wynoszącej -25°C. Większości jednak przyda się wsparcie ze strony drugiego urządzenia grzewczego - kotła czy kominka. Ewentualnie wbudowanej w pompę grzałki elektrycznej. Funkcją dostępną tylko w przypadku pomp gruntowych jest tzw. chłodzenie pasywne. Latem grunt, którego temperatura nawet w upały wynosi koło 10°C, staje się dla domu źródłem chłodu.
Co to jest źródło górne?
To instalacja grzewcza, do której trafia ciepło ze źródła dolnego. Czyli wodne ogrzewanie podłogowe albo grzejniki, podłączone do wodnej instalacji c.o. Dla sprawności pompy ciepła kluczowa jest różnica temperatury między dolnym i górnym źródłem - im mniejsza, tym pompie łatwiej "przepchnąć" ciepło między nimi.
Tradycyjne instalacje grzewcze z kaloryferami projektowano zakładając, że kocioł dostarczy do nich wodę o temperaturze przynajmniej 70°C. W systemach z grzejnikami i gazowymi kotłami kondensacyjnymi temperaturę nośnika ciepła obniżano nawet do 55°C. Płaszczyznowe ogrzewanie podłogowe da się zaplanować tak, żeby woda o temperaturze 30-40°C spełniała swoje zadanie, czyli ogrzewała budynek.
Ogrzewanie płaszczyznowe, w Polsce w praktyce zwykle podłogowe, dobrze współpracuje z pompą ciepła, bo w tym rozwiązaniu różnica temperatury między źródłem dolnym i górnym jest najmniejsza. Podłogówka ma jednak pewne ograniczenia. W domu słabo izolowanym termicznie przy dużych mrozach może okazać się za słaba. Dlatego decydując się na ogrzewanie wyłącznie lub prawie wyłącznie pompą ciepła, należy zadbać o jak najlepszą termoizolację budynku.
Jak buduje się instalację wodnego ogrzewania podłogowego?
W tym systemie ciepło przekazują umieszczone w podłodze rurki, przez które płynie podgrzana woda. Rury z tworzywa (przeważnie wielowarstwowe z wkładką z aluminium) lub droższej miedzi zatapia się w grubej na przynajmniej 5 cm warstwie wylewki. Muszą być wytrzymałe, odporne na korozję i nieprzepuszczalne dla tlenu. W instalacjach z miedzi używa się rur miękkich, które dają się swobodnie kształtować. Powinny być osłonięte warstwą z tworzywa, bo bezpośredni kontakt miedzi z jastrychem grozi jej korozją. Początek i koniec każdej rury podłącza się do rozdzielaczy.
Instalację układa się na izolacji termicznej - styropianie, wełnie mineralnej, płytach poliuretanowych - i izolacji przeciwwilgociowej z folii polietylenowej. Rury mają być oddalone od siebie o 10-20 cm, a w strefach brzegowych, np. przy oknach, ich zagęszczenie powinno być większe. Należy przestrzegać zasady formowania pętli grzewczych z jednego odcinka rury, bez złączek. Średnicę rur, ich rozstaw i długość obiegów grzewczych określa projektant.
Jaka pompa powietrze/woda?
Ten przebój rynku urządzeń grzewczych stosuje się zarówno do zasilania centralnego ogrzewania, jak i do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Na tym drugim polu pompy małej mocy skutecznie konkurują z kolektorami słonecznymi - ich cena jest niższa od kosztu instalacji solarnej, montaż mniej kłopotliwy. W domach, w których c.w.u. podgrzewa kocioł na paliwo stałe, umożliwią wyłączenie go z eksploatacji w sezonie letnim, co daje oszczędności i zwiększa komfort.
Zasadniczo pompy powietrze/woda dzielą się na dwie grupy: split i monoblok.
Urządzenia typu split składają się z dwóch jednostek - zewnętrznej i wewnętrznej. W tej pierwszej, odpowiadającej za pozyskiwanie energii z otoczenia, jest wentylator, powietrzny wymiennik ciepła, będący parownikiem pompy, sprężarka i zawór rozprężny. W drugiej, montowanej w budynku i odpowiedzialnej za przekazywanie ciepła do instalacji grzewczej, znajduje się skraplacz i pompa obiegowa c.o.
Urządzenia typu monoblok mają wszystkie podzespoły w jednej obudowie. Ustawia się je zwykle na zewnątrz domu, do którego biegnie tylko przewód zasilający oraz dwie rury - zasilanie i powrót z instalacji c.o.
Split czy monoblok - którą pompę ciepła wybrać?
Oba rozwiązania mają zalety i wady. Pompy monoblok są łatwe w instalacji, czynnikiem chłodniczym napełniono je w fabryce, zatem monter nie musi posiadać tzw. uprawnień chłodniczych. Jego zadanie sprowadza się do ustawienia sprzętu i przeprowadzenia przewodów transportujących ciepło do systemu c.o. Te należy zabezpieczyć na wypadek zamarznięcia w sytuacji, gdy podczas mrozów dojdzie do zatrzymania pracy pompy, wynikającego na przykład z przerwy w dopływie energii elektrycznej. Problemem jest też hałas działającego urządzenia, dlatego trzeba je ulokować daleko od sypialni. Jednocześnie niezbyt daleko od domu, bo im dłuższe rury, tym większe straty ciepła.
Pompy typu split napełnia się czynnikiem chłodniczym przy instalacji, zatem monter musi mieć wyższe kwalifikacje. Za to nie ma ryzyka zamarznięcia przewodów łączących jednostki, bo krąży w nich czynnik chłodniczy.
W jakich trybach pracują pompy ciepła?
Pompę ciepła można wykorzystywać na cztery sposoby (w czterech trybach).
W trybie monowalentnym urządzenie w 100% pokrywa zapotrzebowanie budynku na ciepło. Tak pracują pompy gruntowe i wodne w domach o wysokim standardzie energetycznym. W przypadku wersji powietrznych, tylko niektóre modele mogą tak działać. Problemem są bowiem okresy dużych mrozów. Jeżeli nie chcemy dodawać drugiego urządzenia grzewczego, a pompa nie daje rady, możemy wybrać tryb monoenergetyczny. Wspiera ją wtedy wbudowana grzałka, ewentualnie kocioł elektryczny.
Lepsze efekty ekonomiczne zapewnia tryb biwalentny alternatywny, w którym w razie znacznego spadku sprawności pompy zastępuje ją inne, w danej sytuacji efektywniejsze źródło ciepła. W tym trybie pompa współpracuje z kotłem gazowym, olejowym lub na paliwo stałe i pokrywa od 60 do 80% rocznego zapotrzebowania na ciepło.
Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest tryb biwalentny równoległy, w którym pompę wspiera urządzenie elastycznie dopasowujące moc grzewczą do potrzeb, np. gazowy kocioł kondensacyjny. W tym wariancie, od określonej temperatury zewnętrznej oba urządzenia pracują jednocześnie, przy czym im temperatura niższa, tym udział kotła jest większy. Gdy koszty pozyskania energii z otoczenia przekraczają koszty ciepła z kotła, pompa jest wyłączana. Jednak taki układ jest najtrudniejszy do wykonania. Szczególnym wariantem tego trybu jest wspomaganie pompy ciepła kominkiem z rozprowadzeniem ciepłego powietrza. Oba urządzenia mogą działać równocześnie, ale są od siebie niezależne.
Janusz Werner
fot. otwierająca: Nibe-Biawar
Komentarze