- Jak działają pompy ciepła i czym różnią się od kotłów grzewczych?
- Czy do działania pompy potrzebna jest energia elektryczna?
- Skąd wziął się ten boom na pompy ciepła?
- W jaki sposób energię udaje się pozyskiwać z gruntu?
- Czy woda może być dobrym źródłem ciepła?
- Jak pozyskiwać energię z powietrza, zwłaszcza zimą?
- W jaki sposób ciepło pozyskane przez pompę najlepiej rozprowadzić po budynku? Czyli jakie źródła górne są do wyboru?
- Pompa ciepła może służyć do przygotowywania c.w.u., ale też do chłodzenia budynku?
- Czym się kierować przy wyborze pompy ciepła?
- Jak zorientować się, jaką sprawność ma pompa?
Inwestor: - Dzień dobry. Głównym "bohaterem" dzisiejszej rozmowy będą pompy ciepła, które zasługują na szersze omówienie. Urządzenia te stały się ostatnio niezwykle popularne. Żeby zrozumieć ten fenomen, chciałbym się dowiedzieć, jak działają i czym różnią się od kotłów grzewczych?
Ekspert budowlany: - Pompy ciepła, tak jak i kotły, są urządzeniami grzewczymi, ale w przeciwieństwie do nich nie są źródłem ciepła, tylko pobierają je z otoczenia i przetwarzają na użyteczną postać. Otoczenie to nazywamy źródłem dolnym. Może to być grunt, powietrze zewnętrzne lub woda. Zgromadzone tam ciepło przekazywane jest przez wymiennik pompy ciepła (parownik), który wypełniony jest oziębionym czynnikiem roboczym. Czynnik roboczy pod wpływem ciepła z otoczenia ogrzewa się i przechodzi w postać gazową. Następnie sprężarka spręża gaz - jego objętość maleje, za to temperatura rośnie. W skraplaczu gaz oddaje ciepło, które trafia do układu odbiorczego (tzw. źródła górnego), a ochłodzony przepływa przez zawór rozprężny, wraca do parownika i cały cykl rozpoczyna się ponownie.
- Czyli do działania pompy potrzebna jest energia elektryczna?
- Tak, jest ona niezbędna do działania sprężarki. Energię można pozyskiwać z sieci albo z domowej instalacji fotowoltaicznej (PV), która zmienia w prąd energię promieniowania słonecznego. To drugie rozwiązanie jest najkorzystniejsze pod względem finansowym, bo na budowę mikroinstalacji PV można otrzymać wsparcie z różnych programów. Pompę można wykorzystać nie tylko do ogrzewania domu, ale też przygotowywania c.w.u. czy chłodzenia budynku.
- A skąd wziął się ten boom na pompy ciepła?
- Kryzys energetyczny w UE jest faktem - ceny paliw kopalnych rosną, co wynika z ich kurczących się zasobów, unijnej polityki klimatycznej, a ostatnio - sytuacji międzynarodowej. Wymusza to przestawienie się na odnawialne źródła energii. Dlatego rośnie zainteresowanie pompami ciepła, które są przyjazne środowisku, a także niedrogie i łatwe w eksploatacji. Są w zasadzie bezobsługowe - dzięki nowoczesnym systemom sterowania można bardzo łatwo zarządzać temperaturą ogrzewanych pomieszczeń. W przeciwieństwie do kotłów nie wymagają budowy komina, przyłącza gazowego ani magazynu na opał.
W wielu zamożniejszych krajach pompy ciepła już od dawna są najpopularniejszymi urządzeniami grzewczymi. U nas być może też tak będzie, choć na razie barierą w ich upowszechnianiu są wysokie koszty zakupu. Trzeba jednak pamiętać, że korzystając z programów "Czyste Powietrze", "Moje Ciepło" lub "Mój Prąd" można pozyskać dofinansowanie na zakup pompy ciepła sięgające nawet kilkunastu tys. zł.
Polecamy szczególnej uwadze artykuł: Jakie warunki musi spełniać dom, aby ogrzewanie pompą ciepła było efektywne?
- Porozmawiajmy o tych dolnych źródłach ciepła. W jaki sposób energię udaje się pozyskiwać z gruntu?
- Grunt zasilany promieniowaniem słonecznym oraz ciepłem z wnętrza Ziemi jest ogromnym akumulatorem energii cieplnej. Sposobów na jej pozyskanie jest kilka. Najprostszy i najtańszy to wykonanie gruntowego kolektora poziomego. To wężownice z rur wypełnionych niezamarzającym wodnym roztworem glikolu etylowego lub propylenowego, które zakopuje się na głębokości ok. 1,5 m. Krążący w rurach płyn odbiera ciepło z gruntu, a następnie przez wymiennik ciepła przekazuje je pompie ciepła. Taki wariant mogą brać pod uwagę tylko właściciele dużych działek, bo instalacja zajmuje nawet kilkaset metrów kwadratowych.
Na podobnej zasadzie działają kolektory pionowe. Różnica polega na tym, że umieszcza się je w pionowych odwiertach, głębokich na przynajmniej kilkadziesiąt metrów. Ten sposób jest droższy, bo potrzebne jest użycie specjalistycznego sprzętu wiertniczego. Daje jednak lepsze efekty, bo ziemia na dużej głębokości ma stale temperaturę nawet powyżej 10°C, niezależnie od pory roku. W przypadku zastosowania kolektorów poziomych jako typową temperaturę przyjmuje się zaś ok. 0°C. Kolektory pionowe mają i tę przewagę, że praktycznie nie zajmują powierzchni na działce, a ich okolica może być utwardzona i pokryta roślinnością.
Ciepło z gruntu można również pozyskać układając w ziemi kolektor ziemny w systemie z bezpośrednim odparowaniem. Są to miedziane rury, w których zamiast glikolu krąży czynnik roboczy pompy ciepła. Rurociąg pełni funkcję parownika, dzięki czemu wyeliminowany jest jeden wymiennik ciepła - pomiędzy płynem niezamarzającym w kolektorze ziemnym a czynnikiem roboczym pompy. Taki układ ma większą sprawność energetyczną.
- A czy woda może być dobrym źródłem ciepła?
- Tak! Temperatura wody podziemnej wynosi zwykle ok. 10°C. Aby pozyskać energię z wody gruntowej potrzebne są dwie studnie - czerpna i zrzutowa. Woda zasysana z pierwszej przepływa przez wymiennik pompy ciepła i ochłodzona trafia do studni zrzutowej. Mankamentem tego rozwiązania jest to, że wody gruntowe często zawierają duże ilości żelaza i manganu, które zatykają filtry i wymiennik pompy ciepła. Bardzo wydajne są też kolektory poziome na dnie zbiornika wodnego (stawu, rzeki), które działają analogicznie do gruntowych kolektorów poziomych. W tym przypadku nie ma problemu z nadmierną ilością minerałów. Ale konieczność dostępu do zbiornika wodnego sprawia, że takie pompy stosowane są u nas dość rzadko.
- Trudniej mi sobie wyobrazić, jak pozyskiwać energię z powietrza, zwłaszcza zimą.
- Nie dziwię się pańskiemu zdziwieniu. Faktycznie, powietrze nie jest tak dobrym źródłem ciepła, jak grunt, do tego jest najzimniejsze wtedy, gdy w domu potrzeba maksimum ciepła. Mimo to tego typu urządzenia są obecnie najbardziej popularne. Wynika to przede wszystkim z tego, że są tańsze od gruntowych. Niepotrzebna jest bowiem żadna instalacja w gruncie, ponieważ wszystkie elementy - wymiennik ciepła i wentylatory wymuszające ruch powietrza - mieszczą się w obudowie, a taką jednostkę stawia się po prostu koło ściany domu i łączy za pomocą instalacji rurowej z systemem wewnętrznym. Nie ma więc znaczenia wielkość działki czy rodzaj gruntu. Co ważne, montaż można przeprowadzić w dowolnym momencie, również w użytkowanym domu. W przypadku pomp gruntowych jest to trudniejsze, bo wykonanie instalacji wiązałoby się z rozkopaniem zagospodarowanego terenu.
Wracając do pańskiego pytania - pompy powietrzne są stale udoskonalane. Niektóre modele mogą działać nawet przy bardzo dużym mrozie, około -25°C. Mimo to cechują się mniejszą efektywnością pracy od urządzeń gruntowych, dlatego w okresie dużych mrozów konieczne może być wspomaganie się drugim źródłem ciepła w postaci wbudowanych grzałek, kotła lub kominka.
- W jaki sposób ciepło pozyskane przez pompę najlepiej rozprowadzić po budynku? Czyli jakie źródła górne są do wyboru?
- Pompa może współpracować z ogrzewaniem płaszczyznowym (podłogowym, sufitowym lub ściennym), albo z grzejnikami.
Zdecydowanie bardziej polecana jest pierwsza opcja. To dlatego, że pompa ciepła najefektywniej pracuje wtedy, gdy temperatura wody w instalacji jest możliwie niska (30-40°C). Właśnie taka jest w przypadku ogrzewania płaszczyznowego, którego duża powierzchnia równoważy niską temperaturę. Grzejniki ścienne mają znacznie mniejszą powierzchnię, dlatego zazwyczaj muszą być zasilane wodą o temperaturze 55-75°C. Jeżeli już zdecydujemy się na grzejniki, to powinniśmy wybrać specjalne modele, które wyposażone są w wentylatory wymuszające intensywny ruch powietrza i efektywną wymianę ciepła. Mogą one efektywnie pracować nawet przy temperaturze zasilania ok. 40°C.
Pompa ciepła może pracować w układzie z dodatkowym źródłem ciepła. Może to być wbudowana grzałka elektryczna, elektryczny dogrzewacz, kocioł czy kominek. Taki system grzewczy nazywamy biwalentnym. W przypadku kotła urządzenie to uruchamiane jest tylko czasowo, przy bardzo silnych mrozach, gdy pompa jest niewystarczająco wydolna lub jej działanie staje się nieekonomiczne. W wariancie z kominkiem z dystrybucją gorącego powietrza oba urządzenia mogą pracować równocześnie, a ich moce cieplne się sumują.
- Wspomniał pan, że pompa może służyć nie tylko do ogrzewania domu i przygotowywania c.w.u., ale też do chłodzenia budynku. Jak to możliwe?
- To proste, wystarczy tylko odwrócić kierunek przepływu ciepła - to pobierane z budynku jest przekazywane do dolnego źródła. Aby optymalnie wykorzystać taki tryb pracy, instalację wewnętrzną najlepiej rozbudować o klimakonwektory zasilane wodą z pompy ciepła. To specjalne grzejniki wyposażone dodatkowo w wentylatory. Mniej popularne jest zastosowanie jednostek wewnętrznych działających w systemie powietrze/powietrze, podobnych do tych z systemów klimatyzacyjnych.
Do chłodzenia można też wykorzystać instalację ogrzewania płaszczyznowego. W sezonie grzewczym przez rurki płynie ciepła woda, natomiast latem - na potrzeby chłodzenia - woda oziębiona. Dzięki dużej powierzchni wymiany ciepła takiej chłodzącej powierzchni nie trzeba bardzo oziębiać, żeby temperatura we wnętrzach spadła, co wpływa korzystnie na zmniejszenie kosztów działania klimatyzacji. Najlepszy pod tym względem jest system sufitowy, bo z sufitem nie mamy bezpośredniego kontaktu (nie odczuwamy więc, na ile jest zimny), a oziębione powietrze samoistnie, powoli opada ku podłodze.
Pompy do c.w.u.
Dosyć sporym zainteresowaniem w naszym kraju cieszą się pompy, które nie służą do ogrzewania domu, a wyłącznie do przygotowywania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Ich atutem jest przystępna cena. Mają mniejszą moc od urządzeń do ogrzewania - zwykle wynosi ona od 1,5 do 4 kW. Innym ważnym parametrem, na który należy zwrócić uwagę przy ich wyborze, jest najniższa temperatura, w jakiej może pracować pompa. Od tego zależy, czy będzie ona w stanie przygotowywać c.w.u. przez niemal cały rok, czy tylko poza sezonem grzewczym. Różnice są spore - niektóre modele działają nawet przy -10°C, inne zaś gdy jest przynajmniej +5°C.
Tego typu pompy są zazwyczaj zintegrowane z zasobnikiem wody. Warto dobrze przemyśleć jego pojemność - standard to 150-200 l. Tyle wystarczy w przypadku 4-osobowej rodziny, ale gdy w domu mieszka więcej osób, zasobnik powinien być większy. Przyjmuje się, że jedna osoba w gospodarstwie domowym zużywa min. 50 litrów ciepłej wody dziennie.
- Na koniec proszę jeszcze powiedzieć, czym się kierować przy wyborze pompy ciepła. Oczywiście wiem już o podstawowym kryterium, czyli o rodzaju źródła dolnego, z którego urządzenie będzie czerpać energię. Ostatnio rzuciło mi się w oczy kilka wiadomości o tym, że posiadacze pomp ciepła narzekają na ich jakość.
- Faktycznie, wraz ze wzrostem popularności pomp ciepła na rynku pojawiło się wiele urządzeń wątpliwej jakości. Ostatnio trafiłem na zatrważające dane - według specjalistów z Izby Gospodarczej Urządzeń OZE, ponad połowa pomp ciepła na polskim rynku faktycznie nie ma parametrów deklarowanych przez producenta! Dlatego warto wybierać urządzenia od sprawdzonych firm, żeby później nie okazało się, że inwestycja będzie nietrafiona, bo pompa szybko się zepsuje albo będzie droga w eksploatacji.
Ważnym parametrem wyboru jest klasa energetyczna urządzenia oraz jego sprawność. Dlatego przed zakupem warto sprawdzić, jaką wartość ma współczynnik COP pompy. To skrót od angielskich słów Coefficient of Performance, określający stosunek otrzymanej ilości ciepła do zużytej energii napędowej. Zależy on od różnicy temperatury między powietrzem, z którego urządzenie pobiera ciepło, a źródłem górnym, czyli instalacją grzewczą, a także od sprawności samej pompy ciepła. I tak np. model o COP = 4 przy pobranej z sieci elektrycznej mocy 1 kW ogrzewa dom z mocą 4 kW, z czego 3 kW pozyskiwane jest za darmo z otoczenia. W domach jednorodzinnych standardem są pompy, których współczynnik COP wynosi 3-5. Sprawność tego typu urządzeń zdecydowanie przewyższa więc inne, tradycyjne urządzenia grzewcze.
Niestety, COP nie jest współczynnikiem doskonałym do porównywania, bo nie jest wartością stałą. Spada, gdy obniża się temperatura po stronie źródła dolnego albo rośnie temperatura wody w obiegu źródła górnego. Jeżeli więc producent poda nam jego wartość np. przy +7°C na zewnątrz, ale nie dowiemy się, jaki COP osiąga np. przy -3°C, to obraz będzie szczątkowy. Rzeczywistą skuteczność działania pompy da tylko analiza jej pełnej charakterystyki pracy w zależności od temperatury.
- To jak zorientować się, jaką sprawność ma pompa?
- Bardziej miarodajny jest współczynnik SCOP, czyli sezonowy współczynnik efektywności. Inaczej mówiąc, to uśredniona wartość COP w ciągu całego sezonu grzewczego. Ale i on nie daje pełnego obrazu, bo producenci podają zazwyczaj jego wartość tylko dla tzw. strefy klimatu umiarkowanego, który jest łagodniejszy niż ten w naszym kraju.
Ważnym parametrem przy wyborze pompy jest jej moc. Dobór pod tym kątem to zadanie dla instalatora, który powinien wziąć pod uwagę to, jak duże są straty ciepła budynku i czy urządzenie ma je pokrywać samodzielnie, czy też będzie działać w układzie biwalentnym. Szacuje się, że w dobrze zaizolowanym domu o powierzchni 150-160 m² wystarcza urządzenie o mocy nominalnej ok. 10 kW. Tu też jednak ważne jest zastrzeżenie - moc bardzo mocno zależy od tego, w jakich warunkach pracuje pompa. Spada gdy obniża się temperatura źródła dolnego, albo rośnie temperatura źródła górnego. Dlatego podobnie jak w przypadku współczynnika COP, należy dokładnie sprawdzić, jakie parametry osiąga pompa w zależności od warunków pracy.
- Dziękuję za rozmowę.
Redakcja BD
fot. otwierająca: Nibe-Biawar
Dodaj komentarz