Pompa ciepła – czyli jak grzać tanio, łatwo i ekologicznie

Podczas budowy, renowacji czy modernizacji budynków, na etapie rozważań dotyczących źródła ciepła, coraz częściej, obok do tej pory najpopularniejszych kotłów olejowych, gazowych i na paliwo stałe, pojawiają się zagadnienia związane z pompą ciepła. Dokładny dobór samego urządzenia, dolnego źródła ciepła oraz rodzaju instalacji wewnętrznej budynku warunkuje odpowiednią, efektywną pracę systemu ogrzewania. To, czy pompa ciepła sprawdzi się w danych warunkach oraz na jaki jej rodzaj powinniśmy się zdecydować, zależy od wielu aspektów – przeanalizujemy je kolejno w dalszej części artykułu.

1. Czy to działa? Jak to działa?

Pompa ciepła w przeciwieństwie do kotłów nie jest urządzeniem wytwarzającym ciepło (z wykorzystaniem energii elektrycznej lub tej zawartej w paliwie), przetłacza ona jedynie energię z otoczenia – powietrza, wody lub ziemi do instalacji wewnętrznej. Jednakże, pomimo tej różnicy, w systemie grzewczym może ona w pełni zastąpić każdy kocioł zarówno przy zasilaniu instalacji centralnego ogrzewania, jak i przy przygotowaniu ciepłej wody użytkowej.

Najczęstsze obawy związane ze stosowaniem pomp ciepła opierają się na braku wiedzy o sposobie działania urządzenia (pomimo faktu, że bazują one na podstawowych prawach fizyki.

W pompie ciepła w obiegu zamkniętym krąży czynnik roboczy. Pierwsza część cyklu jest analogiczna do działania domowej lodówki – zimny płynny czynnik wpływa do wymiennika ciepła (parownik), gdzie pobiera ciepło dostarczone z otoczenia, co powoduje jego odparowanie. Następnie wędruje do napędzanej elektrycznie sprężarki, która wywołuje nagły skok ciśnienia, co wiąże się z podniesieniem temperatury czynnika. Do tej pory omówiliśmy część związaną z odebraniem ciepła z dolnego źródła energii (otoczenie) w przypadku pompy ciepła i analogicznie dla lodówki – od produktów wewnątrz chłodziarki. W obecnym momencie czynnik w postaci przegrzanej pary przepływa przez drugi wymiennik (skraplacz), oddając ciepło i, stąd nazwa, skrapla się. W naszym przykładzie wiąże się to z przekazaniem ciepła do instalacji wewnętrznej budynku oraz odpowiednio dla lodówki – wyrzuceniem niepotrzebnego ciepła, które możemy wyczuć z tyłu urządzenia i które dodatkowo ogrzewa nam kuchnię. Obieg kończy się, gdy, znów płynny, czynnik chłodniczy dociera do zaworu rozprężnego, w którym następuje nagły spadek ciśnienia, a więc i ochłodzenie się czynnika.

To, ile ciepła zostanie dostarczonego do parownika, aby czynnik mógł je odebrać, zależy od dolnego źródła ciepła. Z kolei ilość energii cieplnej, jaką chcielibyśmy, aby czynnik przekazał w skraplaczu, zależy od rodzaju górnego źródła ciepła. Nazewnictwo może być mylące, jednak najłatwiej zobrazować to sobie jako kolektor (dolne źródło), który ułożony jest poniżej poziomu budynku, pionowo lub poziomo pod powierzchnią ziemi, i pompę, która musi przetłoczyć czynnik w górę, do instalacji wewnętrznej w budynku (górne źródło).

2. Wybór dolnego źródła ciepła

To, jakie źródło ciepła będzie najkorzystniejsze, w każdym przypadku zależy od wielu czynników, które należy dokładnie przeanalizować, aby ostatecznie zapewnić zarówno poprawne działanie całej instalacji, jak i dopasować się do możliwości i preferencji inwestora.

Grunt

Jak powszechnie wiadomo, temperatura gruntu w jego głębokich warstwach jest względnie stabilna na przestrzeni roku i niemal nie podlega wahaniom temperatury. Zimą pod powierzchnią ziemi jest znacznie cieplej, latem natomiast panuje tam przyjemny chłód. Stąd też logiczne jest wykorzystanie tego zjawiska na potrzeby instalacji z pompą ciepła. Takie rozwiązanie może być zrealizowane na dwa sposoby: kolektor pionowy (sondy) oraz kolektor poziomy. Oba przypadki opierają się na rurach z tworzywa sztucznego, wypełnionych niezamarzającą mieszanką. Każde z rozwiązań ma swoje wady i zalety, które teraz przeanalizujemy.

Kolektor pionowy

Kolektor pionowy wydaje się lepszym rozwiązaniem ze względu na możliwość uzyskania wyższej temperatury roboczej – na poziomie 10⁰C, jednak należy pamiętać o utrudnieniach technicznych: działka zostaje obciążona pracą ciężkiego sprzętu (wiertnice) i dużą ilością błota powstałego na skutek wypłukiwania ziemi z odwiertów, które trzeba usunąć. Dodatkowo, niefachowe wypełnienie przestrzeni wokół rury kolektora obniża wydajność dolnego źródła ciepła, co może nie tylko wywoływać temperaturowy dyskomfort w budynku, ale i doprowadzić do awarii pompy ciepła.

Dla przejrzystości plusy i minusy rozwiązania zestawione zostały w tabeli:

Kolektor poziomy

Ułożenie przewodów rurowych płasko na jednej głębokości zapewnia możliwość rezygnacji ze specjalistycznego sprzętu (wiertnic), łatwość samego montażu oraz większą kontrolę nad prawidłowym zasypaniem wykopu, a więc i szczelnym pokryciem kolektora. Należy pamiętać jednak, że utrudnieniem może być rodzaj gruntu. Kolektor poziomy sprawdza się najlepiej, gdy podłoże jest spójne i wilgotne (gliniaste) – wtedy przyjmuje się wydajność cieplną gruntu na poziomie 35 W/m2, najgorzej natomiast, gdy jest to suchy, luźny piasek – wydajność cieplna spada aż do około 9 W/m2. Dodatkowo, aby umożliwić regenerację gruntu w lecie i zapobiec jego wychłodzeniu, teren nie powinien być zacieniony ani pokryty utwardzoną, nieprzepuszczającą wody nawierzchnią.

Podobnie jak w poprzednim przypadku wady i zalety rozwiązania zestawiono w tabeli:

Jak można zauważyć, wybór jednego z wyżej wymienionych rozwiązań zależy głównie od powierzchni i sposobu użytkowania działki oraz rodzaju gruntu, ale nie da się jednoznacznie określić, który z nich jest lepszy czy wydajniejszy. Decyzja musi zostać poparta dokładną analizą oraz obliczeniami wykonanymi indywidualnie dla każdego obiektu.

Woda

Woda ma znacznie większe właściwości akumulacyjne – jak wiadomo, zbiorniki wodne po zimie długo nagrzewają się, ale jesienią, kiedy następuje ochłodzenie, jeszcze przez długi czas oddają ciepło do otoczenia. Ponadto, im głębiej, tym temperatura jest wyższa i stabilniejsza, nawet w przypadku pojawienia się pokrywy lodowej na powierzchni zbiornika, woda na dnie pozostaje w stanie ciekłym.

Kolektor wodny to w zasadzie poziomy kolektor gruntowy ułożony na dnie zbiornika. Biorąc pod uwagę wyżej wymienione aspekty, wydawać by się mogło, że jest to korzystniejsze rozwiązanie. Należy jednak pamiętać, że napotkać można pewne utrudnienia. Pierwszym, i najczęstszym z nich, jest konieczność posiadania zbiornika wodnego o głębokości przynajmniej 3 m i odpowiednio dużej powierzchni dna na własnej posesji.

Istnieje też opcja wykorzystująca wody podziemne. Wymaga wykonania jedynie dwóch odwiertów pod studnie czerpną i zrzutową, jednak jest to rozwiązanie bardzo rzadko stosowane. W niewielu miejscach występują odpowiednie ilości wód podziemnych, ich wykorzystanie w celach energetycznych wymaga zyskania pozwolenia wodno–prawnego, a wysoka zawartość związków mineralnych (żelaza, manganu, wapnia) powoduje zamulanie wymiennika, zapychanie filtrów czy samych przewodów. Problem związany z mineralizacją wody może rozwiązać dodatkowy, łatwy do czyszczenia wymiennik, który sprawia, że woda podziemna nie dociera bezpośrednio do pompy, jednak powoduje on dodatkowe straty energii. Zestawienie zalet i wad wykorzystania wody jako dolnego źródła ciepła nie jest przydatne, ponieważ jest to względnie najrzadziej wybierane rozwiązanie, a niemożność jego zastosowania zazwyczaj warunkowana jest samą lokalizacją działki i jej dostępem do wody (zbiorników lub wód podziemnych).

Powietrze

Wykorzystanie powietrza zewnętrznego, którego przecież mamy pod dostatkiem niezależnie od lokalizacji czy rozmiaru działki, jest najprostszym pod względem technicznym rozwiązaniem. Faktem jest, że ze wszystkich wymienionych źródeł to powietrze cechuje się najmniejszą stabilnością temperaturową w skali roku, a w okresie zimowym jego temperatura spada nawet do -25⁰C (w zależności od regionu), jednak nowoczesne i stale udoskonalane pompy ciepła radzą sobie nawet z takimi trudnościami. Instalacja powietrznej pompy ciepła nie wymaga ciężkiego specjalistycznego sprzętu ani wykonywania dolnego źródła ciepła (wykopy, odwierty) i zajmuje 1-2 dni. W zależności od wybranego modelu pompy jednostka może składać się z dwóch elementów (split) lub być jednoelementowa (monoblok). W pompach typu split jednostka zewnętrzna montowana jest zazwyczaj przy ścianie budynku i zawiera wymiennik (parownik), zawór rozprężny i sprężarkę, jednostka wewnętrzna natomiast znajduje się zwyczajowo w pomieszczeniu technicznym i zawiera drugi z wymienników (skraplacz) i pompę obiegową instalacji centralnego ogrzewania. W przypadku monobloków wszystkie elementy układu zawarte są w jednej obudowie. Urządzenie można ustawić na zewnątrz budynku – wtedy połączone jest z obiektem przewodem zasilającym i przewodami c.o., lub wewnątrz budynku – wtedy na zewnątrz wyprowadzane są jedynie przewody zasysający i wyrzutowy. Roboty związane z instalacją pompy powietrznej opierają się więc jedynie o wywiercenie otworów w ścianie budynku, odpowiednim podłączeniu hydraulicznym przewodów oraz fachowym (!) ustawieniu sterownika urządzenia.

Jest to zdecydowanie najprostszy, najbardziej uniwersalny i najczęściej wybierany wariant dolnego źródła ciepła. Jak wcześniej wspomniano, nawet mimo tak niskich temperatur powietrza w okresie zimowym nowoczesne (i dobrze dobrane!) pompy ciepła są w stanie niemal samodzielnie zapewnić odpowiednią ilość energii cieplnej przy znacznie krótszym okresie zwrotu poniesionych nakładów.

Nienależnie od wybranego rodzaju dolnego źródła ciepła i dobranego urządzenia całość instalacji nie będzie działała poprawnie, jeśli górne źródło, a więc instalacja wewnątrz budynku, nie będzie odpowiednio przygotowane do pracy z pompą ciepła. Kwestię tę poruszono w kolejnym rozdziale.

3. Wybór górnego źródła ciepła

Samo dolne źródło ciepła to tylko połowa układu i sukcesu. Instalacja wewnętrzna również musi spełniać pewne wymagania.

Jak wiadomo, w pompie ciepła to zasilana elektrycznie sprężarka pozwala na podniesienie ciśnienia, a więc i zwiększenie temperatury krążącego czynnika roboczego. To, jak dużo pracy w to sprężanie będzie musiała włożyć, a więc do jak wysokiej temperatury konieczne będzie podgrzanie czynnika, warunkuje ilość pobranej energii elektrycznej, a więc i koszt jej pracy. W związku z tym najlepszym rozwiązaniem są instalacje niskotemperaturowe – ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe, sufitowe lub ścienne), gdzie temperatura zasilania utrzymuje się na poziomie 35⁰C. Jeśli mimo wszystko decydujemy się na ogrzewanie grzejnikowe, należy, poprzez dokładną analizę popartą obliczeniami, rozważyć wariant polegający na przewymiarowaniu grzejników, tak, aby nawet niższa temperatura czynnika pozwalała na dostateczne ogrzanie pomieszczenia lub wariant wykorzystujący alternatywne źródło ciepła. Może okazać się to konieczne w przypadku modernizacji istniejących budynków zasilanych do tej pory czynnikiem o wysokich parametrach rzędu 70⁰C.

4. Nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacyjne

Analizując powyższe informacje, można zauważyć, że niezależnie od rodzaju dolnego źródła, żadna z instalacji z pompą ciepła nie wymaga budowy przyłącza (sieci cieplnej czy gazowego), komina, kotłowni i pomieszczenia/zbiornika na składowanie materiału opałowego ani regularnego nadzoru. W związku z tym najbardziej opłacalny jest wybór pompy ciepła na etapie projektu budynku, wtedy możemy oszczędzić na kosztach budowy komina, a ewentualne pomieszczenie kotłowi przeznaczyć na inny wybrany cel. W budynkach istniejących wyposażonych w grzejniki, na etapie modernizacji, należałoby rozpatrzyć opcję dodatkowego docieplenia, która może wykluczyć konieczność wymiany samych grzejników na większe. Jeśli ograniczymy straty ciepła (wynikające głównie z uciekania ciepła przez przegrody budowlane i stolarkę) poprzez dołożenie dodatkowej warstwy materiału termoizolacyjnego, nawet czynnik o niższych parametrach będzie w stanie zapewnić wymaganą temperaturę w każdym z pomieszczeń.

Należy pamiętać, że pompa ciepła zwyczajowo wyposażona jest w grzałkę elektryczną, która w przypadku najniekorzystniejszych warunków pomaga pompie w zachowaniu wymaganej temperatury czynnika. Oprócz grzałki funkcję wspomagającą może stanowić alternatywne źródło ciepła, co często zdarza się w przypadku budynków modernizowanych (zachowany zostaje dotychczas stosowany kocioł, jednak spełniał on będzie już tylko funkcję podrzędną).

Na etapie projektowania zaleca się dobór pompy ciepła na 80% zapotrzebowania na energię budynku. Zapotrzebowanie to jest bowiem obliczane dla najniekorzystniejszych warunków – najniższych temperatur zewnętrznych (-22⁰C dla strefy IV obejmującej woj. podlaskie), które jak wiadomo występują jedynie kilka dni w roku. W ten sposób unika się podwyższania nakładów inwestycyjnych na zakup pompy ciepła o większej mocy, która de facto nie będzie potrzebna przez większość roku, a koszty eksploatacyjne związane z pracą grzałki elektrycznej (lub alternatywnego źródła ciepła) będą znacznie niższe niż ww. oszczędności.

Poniżej zaprezentowano wykres ukazujący roczny koszt eksploatacji źródła ciepła dla domu o pow. 200m2 opartego na gruntowej pompie ciepła, powietrznej pompie ciepła, kotle gazowym (gaz ziemny i gaz płynny) i kotle olejowym. Przyjęto szacunkowe, uśrednione wskaźniki oraz ceny energii i paliw z 2015 roku.

Znając szacunkową wysokość nakładów inwestycyjnych przy każdym z analizowanych źródeł ciepła, można łatwo określić koszty zakumulowane ukazujące okres zwrotu inwestycji. Zaprezentowano je na poniższym wykresie.

Powyższy artykuł ma na celu ukazanie, że nie taka pompa straszna, jak się większości wydaje. Sama zasada pracy urządzenia jest nieskomplikowana, a po pierwszym uruchomieniu pompa staje się w pełni bezobsługowa. Dokładną analizę należy przeprowadzić na etapie projektu i doboru urządzenia, wymiarowania źródła ciepła i dostosowania instalacji wewnętrznej – wszystkie te zadania precyzyjnie wykona fachowy projektant. Warto skorzystać z jego wiedzy, mając na uwadze, że jest to inwestycja na lata i błędy popełnione podczas doboru mogą skutkować wysokimi rachunkami i nieefektywną pracą urządzenia, która nie zadowoli żadnego klienta.

Opracowano:
mgr inż. Marta Siemiończyk
Studio Projekt Marta Siemiończyk